Работа №1. Промышленная водоподготовка

ПРАКТИКУМ

ПО ОБЩЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

По курсу «Общая химическая технология»

Тверь 2004

УДК 66.01 (075.8)

ББК 35

Практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по курсу общей химической технологии и основам промышленной экологии и включает теоретические предпосылки, описание установок, методики проведения работ. Приводятся методы расчётов по результатам выполненной работы и обработки экспериментальных данных.

Практикум предназначен для студентов специальностей: 2505 - Химическая технология высокомолекулярных соединений, 70100 - Биотехнология, 1705 - Машины и аппараты химических производств.

Рассмотрен и рекомендован к изданию на заседании кафедры технологии полимерных материалов (протокол №4 от 20 апреля 2004г.).

Рецензент: профессор-консультант ГУП ВНИИСВ доктор технических наук В.Б. Кваша.

Составители: А.М.Комаров, Е.И.Лагусева

РАБОТА №1. ПРОМЫШЛЕННАЯ ВОДОПОДГОТОВКА

Цель работы: ознакомление с методами подготовки и сравнение эффективности известково-содового и ионообменного методов умягчения воды.

1.1. Теоретические сведения

Умягчением воды называют процесс, приводящий к понижению её жёсткости. Общая жесткость воды определяется наличием в её составе растворимых солей кальция и магния (карбонаты, бикарбонаты, сульфаты, хлориды и др.). Различают карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную) жёсткость воды. Первая обусловлена присутствием в воде бикарбонатов кальция и (или) магния и может быть полностью устранена кипячением:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃¯ + CO₂ + H₂O, (1.1)

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃×Mg(OH)₂¯ + 3CO₂ + H₂O, (1.2)

MgCO₃ + H₂O = Mg(OH)₂¯ + CO₂. (1.3)

Некарбонатная или постоянная жёсткость связана с присутствием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот (хлоридов, сульфатов, нитратов).

Общая жесткость – сумма временной и постоянной жесткостей. Жёсткость выражается в миллиграмм-эквивалентах растворимых солей кальция и магния в литре воды. По общей жёсткости воду различают мягкую (менее 2), среднюю (от 2 до 10), жёсткую (более 10 мг-экв/дм³). Для хозяйственно-питьевого водоснабжения допускается жёсткость воды не более 7 мг-экв/дм³ (ГОСТ 2974-74).

Для технических целей требования к воде определяются спецификой технологического процесса.

Для использования воды в производстве, её подвергают соответствующей подготовке, зависящей от наличия в ней примесей и требований производства. Вода, содержащая соли кальция и магния, не может быть использована для питания паровых котлов из-за образования плотных слоёв накипи. Она не пригодна также и для охлаждения.

Активная реакция воды - степень её кислотности или щелочности - характеризуется концентрацией водородных ионов и определяется при помощи индикаторов. Реакция природных вод близка к нейтральной (рН=6,8-7,3). Реакция оборотных вод зависит от характера производства (рН<6,5 - кислая, рН>7,3 - щелочная).

Для умягчения воды применяют термические, реагентные, ионообменные и комбинированные методы.

Термические методы основаны на нагревании воды, её дистилляции или вымораживании.

Реагентные методы основаны на связывании растворимых в воде ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в труднорастворимые соединения с помощью различных реагентов, таких как гашёная известь, кальцинированная сода, трёхзамещённый фосфат натрия и др.

Наибольшее распространение получил известково-содовый метод, сущность которого заключается в образовании нерастворимых соединений при обработке воды гашёной известью:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ ¯+ 2H₂O, (1.4)

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂¯ + 2CaCO₃¯ + 2H₂O, (1.5)

MgSO₄ + Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂¯ + CaSO₄¯. (1.6)

или кальцинированной содой:

(1.7)

(1.8)

(1.9)

Полного устранения жёсткости этим методом добиться невозможно из-за некоторой растворимости CaCO₃ и MgСО₃. Более глубокое умягчение воды достигается при применении фосфатного метода или метода ионного обмена:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂¯ + 6NaHCO₃, (1.10)

MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂¯ + 6NaCl, (1.11)

Сущность метода ионного обмена состоит в том, что твёрдое тело –ионит поглощает из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество других одноимённо заряженных ионов. В соответствии со знаком заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты.

В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обмена ионов натрия или водорода на ионы Ca²⁺ и Mg²⁺. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водорода H-катионированием:

2R/Na⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺, (1.12)

2R/H⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2H⁺, (1.13)

2R/H⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2H⁺, (1.14)

R/H⁺ + Na⁺ R/Na⁺ + H⁺. (1.15)

Регенерацию Na -катионитов после достижения предела обменной ёмкости осуществляют путём промывки раствором NaCl, а Н -катионитов - растворами минеральных кислот (H₂SO₄, HCl):

R/Mg²⁺ + n Na ⁺ 2R/Na ⁺ + Mg ²⁺ + (n -2) Na ⁺ (1.16)

R/Mg²⁺ + n H ⁺ 2R/H⁺ + Mg ²⁺+ (n -2) H ⁺ (1.17)

При фильтровании воды через слой анионита происходит сорбция анионов:

R/OH ^- + Cl ^- R/Cl ^- + OH ^-, (1.18)

2R/OH ^- + SO R₂/SO + 2OH ^-. (1.19)

Регенерация анионитовых фильтров осуществляется обычно 4%-ным раствором NaOH:

R/Cl ^- + n OH ^- R/OH ^- + Cl ^- + (n -1) ОН ^- (1.20)

R/SO + n OH ^- 2 R/OH ^- + SO + (n -2) ОН ^- (1.21)

Ионообменный метод позволяет получить в зависимости от удельного расхода ионита любую заданную остаточную жёсткость.

1.2. Методика проведения работы

1.2.1. Определение карбонатной жёсткости воды

Основано на реакции образования нейтральных солей при титровании воды соляной кислотой. Наличием ионов HCO , OH , CO обусловлена общая жёсткость воды (Ж_общ), которая определяется расходом соляной кислоты при титровании воды до pH=3,6 (индикатор метиловый оранжевый).

Количество в воде ионов OH и CO определяется расходом соляной кислоты при титровании в присутствии индикатора фенолфталеина до pH=8,6 (щёлочность воды по фенолфталеину).

Для определения карбонатной жёсткости к 100 мл исследуемой воды, отмеренной цилиндром в коническую колбу ёмкостью 250 мл, добавляют 2-3 капли спиртового раствора фенолфталеина. При появлении розовой окраски воду титруют 0,1 Н раствором соляной кислоты до обесцвечивания и записывают объём кислоты, израсходованный на титрование (V_ф). Затем в ту же колбу добавляют 2-3 капли раствора метилового оранжевого и продолжают титрование 0,1 Н раствором до перехода окраски из жёлтой в розовую. Записывают общий расход 0,1 Н HCl на титрование (V_общ). Карбонатную жёсткость рассчитывают по формуле

Ж_к = (V_общ - V_ф)× N× 1000/V, мг-экв/л, (1.22)

где N - нормальность соляной кислоты; V - объём воды, взятой на титрование, мл.

1.2.2. Определение общей и некарбонатной жёсткости воды трилоном Б

Комплексометрический метод определения общей жёсткости основан на связывании ионов кальция и магния трилоном Б (динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, EDTA) в комплексные соединения:

Ca²⁺ + H₂EDTA = CaEDTA + 2H⁺, (1.23)

К 100 мл исследуемой воды, отмеренной цилиндром в коническую колбу ёмкостью 250 мл, приливают 5 мл аммиачного буфера, 5-7 капель индикатора хромового тёмно-синего, который окрашивает раствор при наличии ионов Ca²⁺ или Mg²⁺ в фиолетово-малиновый цвет. Раствор медленно титруют 0,05 Н раствором трилона Б до изменения окраски на синевато-серую. Общую жёсткость воды рассчитывают по формуле

Ж_о = V₁× N× 1000/V, мг-экв/л, (1.24)

где V₁ - объём раствора трилона Б, израсходованный на титрование, мл; N - нормальность раствора трилона Б; V - объём исследуемой воды, мл.

Некарбонатную жёсткость (Ж_нк) рассчитывают как разность между общей и карбонатной жёсткостью по формуле

Ж_нк = Ж_о - Ж_к. (1.25)

1.3. Умягчение воды известково-содовым методом

1.3.1. Расчёт количества извести

Расчёт объёма известкового раствора для умягчения воды производится по формуле

V_изв = Ж_к× V/(1000 × N), мл, (1.26)

где V - объём воды, взятой для умягчения, мл; N - нормальность раствора извести.

1.3.2 Расчёт количества соды

Рассчитывают объём раствора соды, необходимый для умягчения воды, исходя из величины некарбонатной жёсткости:

V_c = Ж_нк× V/(1000× N), мл, (1.27)

где V - объём воды, взятой для умягчения, мл; N - нормальность раствора соды.

1.3.3. Умягчение воды и определение остаточной жёсткости

В колбу ёмкостью 500 мл наливают цилиндром 200 мл исследуемой воды, добавляют рассчитанные количества растворов извести и соды, погружают в колбу на 5 минут в кипящую водяную баню, после чего охлаждают под струёй водопроводной воды до комнатной температуры и фильтруют через плотный складчатый фильтр. Отбирают 100 мл фильтрата и определяют остаточную общую жёсткость комплексометрическим методом.

1.4. Умягчение воды ионообменным методом

Умягчение воды проводят, последовательно пропуская воду через катионообменную и анионообменную колонки, заполненные ионообменными смолами (рис.).

Установка ионообменного умягчения воды:

1 - колонка катионообменная; 2 - колонка анионообменная; 3 - катионит; 4 - анионит; 5 - пористая перегородка; 6 - кран

Для этого 150-200 мл исследуемой воды медленно фильтруют через колонки с ионитами. В фильтрате, отобранном после пропускания первых 50 мл воды, определяют остаточную жёсткость при помощи комплексометрического метода.

Степень умягчения воды для каждого метода рассчитывают по формуле

X = (Ж_общ - Ж_ост) × 100/Ж_общ , %, (1.28)

где X_общ - общая жёсткость исследуемой воды; Ж_ост - общая жёсткость воды после умягчения.

1.5. Порядок оформления работы

Экспериментальные данные заносят в рабочий журнал в виде таблиц 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1. Расчёт жёсткости исследуемой воды

№ пробы воды	Объём кислоты по фенол-фталеину (Vф), мл	Объём кислоты по метилоранжу (Vм), мл	Общая щёлочность (Що), мг-экв/л	Щёлочность по фенолфталеину (Щф), мг-экв/л	Карбо-натная жёсткость	Некар-бонатная жёсткость
…

Таблица 1.2. Расчёт степени умягчения воды

№ пробы воды	Известково-содовый метод	Ионообменный метод
Объём воды для анализа, мл	Объём раствора трилона Б, мл	Остаточная жёсткость, мг-экв/л	Степень умягчения, %	Объём воды для анализа, мл	Объём раствора трилона Б мл	Остаточная жёсткость, мг-экв/л	Степень умягчения, %
…

Вопросы для допуска к работе

1. Чем обусловлена жёсткость воды? Чем обусловлена щёлочность воды? 2. Какая жёсткость называется временной? 3. Какая жёсткость называется постоянной? 4. В чём состоит негативное влияние жёсткости на качество воды? 5. Какие существуют методы умягчения воды? 6. В чём сущность реагентного и ионообменного методов умягчения воды? Их эффективность и области применения. 7. Почему при использовании тринатрийфосфата степень умягчения выше? 8. Назовите методы определения карбонатной и общей жёсткости воды.

Рекомендуемая литература

1. Кутепов А.М., Бондарёва Т.И., Беренгартен М.Т. Общая химическая технология: Учеб. для вузов. - 3-е изд., переб.- М: ИКЦ «Академкнига», 2003. С.272-282.

2. Практикум по общей химической технологии /Под ред. И.П.Мухленова.- М.: Высш. шк., 1973. С. 337-345.

3. Кульский Л.П. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. - Киев: Наукова думка. 1980. С. 418-449.