Батюк Наталія Орестівна 2 страница

2. Основные направления использования метана в химической промышленности.

Методические рекомендации.

Целью работы является моделирование процесса каталитической конверсии метана для получения синтез-газа, водорода и азотоводородной смеси.

Конверсиия- технологический процесс переработки газообразного топлива с целью изменения его состава. Технологическую схему конверсии выбирают исходя из назначения и состава конвертированного газа: синтез-газ, ABC, Н₂.

1. Конверсия с водяным паром Синтез-газ получают конверсией метана с водяным паром (паровая конверсия):

СН4 + Н₂0 ^ ЗН₂ + СО - АН (213кдж) В этих условиях конверсии подвергается до 97% метана. Метан или другой углеводородный газ предварительно насыщается водяным паром до объемного соотношения 1:1 и после подогрева до 500⁰С и смешения с кислородом направляется в реактор.

2. Конверсия с кислородом. Процесс неполного окисления метана кислородом (кислородная конверсия):

СН₄ + 0,50₂ ^ 2Н₂ + СО - АН (35 кдж) образуются водород и оксид углерода (II). Если в качестве окислителя используют воздух, то в состав конвертированного газа входит также азот.

Для получения водорода газ парокислородной конверсии подвергают вторичной конверсии с водяным паром

СО + Н₂0 ^ С0₂ + Н₂ - АН. (41 кдж) Для удаления оксида углерода (II) из газа вместо вторичной конверсии применяют поглощение его аммиачным раствором хлорида меди (I): CU2C12 + 2СО = CU2C12 ■ 2СО.

и далее

CU2C12 ■ 2СО + 4NH3 + 2Н20 = 2Cu + (N^^04 + (NH4) С1 Для получения ABC метан подвергают паровоздушной конверсии, получая конвертированный газ, содержащий 0,52 об. доли водорода, 0,22 об. долей азота, 0,18 об.долей оксида углерода (II) и 0,07 об. долей оксида углерода (IV). Из этого газа оксид углерода (II) удаляют паровой конверсией, а оксид углерода (IV) поглощают щелочью.

3. Конверсия метана двуокисью углерода

СН4 + С0₂ ^ 2Н₂ + 2СО - АН (248*-^.)

Выполнение работы состоит из следующих операций: 1) приготовление катализатора; 2) заполнение реакционной трубки; 3) сборка аппаратуры; 4) проведение процесса конверсии; 5) отбор пробы и анализ конвертированного газа; 6) оформление результатов работы.

Приготовление катализатора. Крупнозернистый оксид алюминия (в виде мелкой крупки) смачивают раствором нитрата никеля и сушат, массу прокаливают в муфельной печи при температуре 300—500°С,измельчают в ступке и просеивают. При отсутствии оксида алюминия в качестве носителя при изготовлении катализатора могут использоваться шамотная глина или измельченный кирпич.

Заполнениереакционной трубки (реактора). Длина слоя катализатора должна быть такой, чтобы он полностью размещался в обогреваемой части печи.

Сборка аппаратуры. Установку собирают в соответствии с рисунком 10.1

В колбу (1) наливают воду и устанавливают ее на электроплитку. Промывные склянки (10) и (11) наполняют соответствующими растворами, газометр (12) — водой. В промывную склянку (2а) наливают раствор перманганата калия, а в склянку (За) — воду. Последующий порядок сборки аппаратуры зависит от того, какой конвертированный газ должен быть получен в работе. Для получения синтез-газа газометр (12) присоединяют к системе через трехходовой кран (10а), а для получения водорода и ABC — через кран (11а),

Рисунок 10.1 Установка дляконверсии метана

соответственно выключая или включая этим промывную склянку (11) для поглощения оксида углерода (II). Для подачи воздуха трубку (3) подсоединяют к аппарату, подающему воздух. По окончании сборки аппаратуры склянку (2а) присоединяют к лабораторной газовой магистрали.

Проведение процесса конверсии. Датчик пирометрического милливольтметра (7) устанавливают на заданную температуру и включают обогрев печи (6). Краны трубок (2) и (3) закрывают. Включают обогрев колбы (1) и нагревают воду в ней до кипения. Далее процесс конверсии может проводиться по двум вариантам.

а) Паровая конверсия. Для проведения паровой конверсии кран (10а) сообщают с атмосферой с помощью надетой на его патрубок резиновой трубки, которая выведена в вытяжной шкаф. Затем открывают кран трубки (2) и начина­ют пропускать через колбу 1 ток газа со скоростью 1 — 2 пузырька в секунду, проходящих через промывную склянку(2й) По достижении печью заданной температуры крш(10а) переключают на газометр (12) и. открывают его кран(13), собирая вытекающую из газометра воду в стакан. Ток газа, подаваемого в установку, увеличивают так, чтобы пузырьки в склянке (2а) проскакивали непрерывно.

Отбор пробы и анализ конвертированного газа. Для анализа газа его отбирают в газовую пипетку, или газометр подсоединяют к абсорбционному газоанализатору ГХП-ЗМ.

Оформление результатов работы. Результаты анализа конвертированного газа, полученные при использовании газоанализатора ГХП-ЗМ, представляют в виде таблицы

Лит.: 1осн [215-228], 5 осн. [223-229],2 доп.[70-96].

Контрольные вопросы:

1.Какие конверсионные процессы используются в промышленности и их назначение?

2. Какой вид конверсии применяется для получения синтез-газа?

3. Из каких последовательных стадий состоит процесс конверсии метана для производства азотоводородной смеси?

Задание 11 Конверсияуглеводородных газов.

1.Расчет состава конвертированного газа, полученного паракислородной и паровоздушной конверсией метана

2. Примеры расчета

Методические рекомендации.

Расчет состава конвертированного газа В таблицах 11.1-11.2 приведены составы технологических газов парокислородной (синтез-газ) и паровоздушной (ABC) конверсии метана, полученных в реальных технологических процессах и определенные аналитически. Состав газов конверсии может быть рассчитан теоретически, если известен удельный вес (доля) каждого вида конверсии в данном технологическом процессе.

Основные виды конверсии описываются уравнениями:

полная паровая конверсия СЙ4 + Й20 = СО + ЗЙ2 (1)

полная кислородная конверсия СЙ4 + 0,502 = СО + 2Й2 (2)

полная воздушная конверсия

СЙ4 + 0,502 + 0,5 3,76N2 = СО + 2Й2 + 0,5-3,76N (3) полная конверсия оксида углерода (II)

СО + Й20 = С02 + Й2 (4)

Используя уравнения (1-4) и задавшись долей каждой реакции в комбинированном процессе конверсии можно рассчитать состав газа конверсии, исходя из следующих соображений: пусть доля реакции (1) в конверсионном процессе составляет х (дол.ед.) и реакций (2) и (3) соответственно (1-х) дол. ед.) Тогда, в том случае, если конверсия протекает полностью и степень превращения равна единице, уравнения парокислородной и паровоздушной с удалением оксида углерода (II) паровой конверсией могут быть записаны в следующем виде:

Таблица 11.1 Состав конвертированного газа парокислородной конверсии метана Компонент Содержание в газе, % об. До выделения С02 После выделения Оксид углерода (IV) 9,7 2,2 Оксид углерода (II) 26,3 28,4 Водород 62,3 67,5 Азот и аргон 1,2 1,3 Метан 0,5 0,6

Таблица 11.2 Состав конвертированного газа паровоздушной конверсии метана Компонент Содержание в газе,% об. После конвертора метана II ступени После конвертора СО II ступени После очистки этаноламином Водород Оксид углерода (II) Оксид углерода (IV) Азот и аргон Метан 57,6 11,2 8,4 22,5 0,3 61,7 0,5 17,4 20,1 0,3 74—75 0,7 0,124—25 0,7

Парокислородная конверсия: х СН4 + хН₂0 = хСО + ЗхН₂ (1-х) СН4 + 0,5(1-х)02 = (1-х)СО + 2(1-х)Н2

СН4 + хН₂0 + 0,5(1-х)0₂ = СО + (х+2)Н₂ Паровоздушная конверсия с удалением СО: СН4+ хН₂0 + 0,5(1-х)0₂ + 0,5(1-х) 3,76N₂ = = СО + (х+2)Н2 + 0,5(1-х)-3,76 N2 СО + Н₂0 = С0₂ + Н₂

СН4 + (х+1)Н20 + 0,5(1-х)02 + 0,5(1-x)-3,76N2 = = (х+3)Н2 + С02 + 0,5(1-x)-3,76N2

Если принять объем метана равным 1 нм, то объем конвертированного газа паровоздушной конверсии после удаления СО составит 1 + (х+3) + 0,5(1-х) 3,76 = 5,88 - 0,88х нм³ исостав его (об. дол.): водород (х + 3):(5,88 - 0,88х)

оксид углерода (IV) 1:(5,88 - 0,88х) азот 0,5(1-х)-3,76:(5,88 - 0,88х) Пример. Рассчитать состав газа парокислородной конверсии для получения синтез-газа, при условии, что доля реакции паровой конверсии х = 0,5 дол. ед. 0,5СН4 + 0,5Н20 = 0,5С0 + 1,5Н2 0,5СН4 + 0,2502 = 0,5С0 + Н2

СН4 + 0,5Н20 + 0,2502 = СО + 2,5Н2 Объем газа после конверсии 1 + 2,5 = 3,5 нм Состав газа: водород 2,5:3,5 = 0,714 об. дол. оксид углерода (II) 1:3,5 = 0,286 об. дл. Лит.: 1 осн.[227-228] Контрольные вопросы:

1. Чем отличается природный таз от попутного нефтяного газа?

2. Какие газы относятся к нефтяным газам?

3. Как перерабатывается попутный нефтяной газ?

4.Описать технологическую схему парокислородной конверсии метана.

5. Описать технологическую схему получения АБС паровоздушной конверсией метана

Задание 12 Гранулометрический анализ твердого сырья

1.Определение гранулометрического состава сырья

Проведение процесса флотации.

Расчеты и оформление результатов

Методические рекомендации.

Цель работы. Моделирование процесса флотационного обогащения твердого сырья и определение его гранулометрического состава.

Содержание работы. Перед химической переработкой сырье подвергают предварительной подготовке для придания ему состава и свойств, необходимых для эффективного проведения химико-технологического процесса, повышения концентрации полезного компонента, понижения содержания влаги и вредных примесей, достижения заданной дисперсности. При подготовке твердого сырья необходимо провести его измельчение, классификацию и обогащение. Для оценки степени измельчения сырья определяют относительное содержание в нем частиц различного размера-гранулометрический состав его. Наиболее распространенный метод обогащения твердого сырья- флотация. В соответствии с этим работа состоит из двух частей: определение гранулометрического состава твердого сырья (гранулометрический или ситовой анализ) и флотационное обогащение твердого сырья с определением количественных характеристик про­цесса обогащения.

1. Определение гранулометрического состава сырья

Сущность метода. Гранулометрический (зерновой) состав, характе­ризующий распределение частиц твердого материала по их дисперсности, определяют методом ситового анализа. Для этого навеску анализируемого сырья просеивают через набор сит, различающихся величиной отверстий.

Сита изготавливают из сеток с квадратными отверстиями с размерами от 0,0025 до 0,0004 м.

Крупность просеиваемых частиц характеризуют эквивалентным диаметром, принимая условно, что частица имеет форму шара с объемом, равным объему реальной частицы. Эквивалентный диаметр определяется по формуле:

з__ —

D _ = l,24\Zv~= 1,24 V р",

где D₃ — эквивалентный диаметр частицы, см.

m — масса частицы, г;

р — плотность материала частицы, г/см³.

Анализируемое сырье растирают в ступке и сушат в сушильном шкафу при 105 —110°С до постоянного веса. Из полученной пробы отбирают на технических весах в фарфоровую чашку навеску 50 г с точностью 0,01 г.Навеску анализируемого сырья высыпают на верхнее сито, закрывают прибор крышкой и стягивают сита скобой. Просеивание ведут в течение двух минут, после чего проводят контрольный опыт. Просеивание считается законченным, если в течение одной минуты через сито проходит не более 0,05 г сырья.

Оформление результатов. Гранулометрический состав анализируемого сырья выражают в процентном содержании в нем отдельных фракций. Это содержание рассчитывается как отношение массы каждой фракции к массе навески сырья. При этом каждая фракция обозначается верхним и нижним пределами размеров частиц: прошедших через данное сито со знаком «минус»,

^ШФ|-П-К1|:+]))

------ 100%,

оставшихся на данном сите — со знаком «плюс»: где Хф - доля(содержание) фракции,% m - масса фракции, г; m- навеска сырья, г; n- номер сита.

Лит.: 1осн.[50-54], 5осн.[95- 105], 1 доп.[8-19]

Контрольные вопросы:

1. Из каких основных операций состоит подготовка химического сырья к переработке?

2. Почему необходимо обогащать отдельные виды сырья?

3.Что является целью обогащения сырья и от чего зависит выбор метода обогащения?

Задание 13 Флотационное обогащение твердого сырья Методические рекомендации.

Сущность метода. Минеральное или органическое сырье (сульфидная руда, каменный уголь) подвергают флотационному обогащению в лабораторной флотационной машине с механическим перемешиванием пульпы. Флотационное обогащение представляет физико-химический процесс разделе­ния компонентов сырья (полезного минерала и пустой породы), основанный на их различной смачиваемости. Смачиваемость минералов характеризуется величиной краевого угла смачивания 0 вдоль границы раздела фаз «твердое тело - жидкость - воздух». По величине угла смачивания минералы подразделяются на гидрофобные (несмачиваемые), для которых угол смачивания 0> 90°, и смачиваемые (гидрофильные), для которых 0< 90°. В результате флотации получают один или несколько флотационных концентратов, содержащих полезные компоненты, извлеченные из сырья, и флотационные хвосты, со­стоящие преимущественно из пустой породы.

Эффективность флотации, полнота выделения полезного компонента из сырья зависят от ряда факторов. К ним относятся: природа и состав флотируемого сырья, в том числе различие в смачиваемости полезного компонента и пустой породы; дисперсность сырья; достаточная скорость и избирательность процесса флотации достигается только при некотором среднем значении дисперсности, обычно при размере частиц 0,1 — 0,3 мм; концентрации пульпы (в пределах от 1:5 до 1:3);состава воды, в том числе рН ее и содержание в ней примесей; максимальный эффект процесса флотации обеспечивается при рН= 7; ассортимент применяемых в процессе флотации флотореагентов.

Флотореагенты- вещества, способствующие более полному разделению полезного компонента и пустой породы, то есть повышающие эффективность флотации. Для повышения гидрофобности полезного компонента в пульпу вводят коллекторы (собиратели). К ним относятся различные ПАВ, адсорби­рующиеся на поверхности его частиц и покрывающие их мономолекулярной гидрофобной пленкой. Коллекторы обладают избирательной способностью, поэтому выбор их зависит от природы флотируемого сырья.

Для создания устойчивой пены в пульпу добавляют пенообразователи (вспениватели) - ПАВ, образующие на пузырьках воздуха пены адсорбционную пленку, препятствующую их слипанию. В качестве вспенивателей применяют терпеновые спирты (сосновое масло), каменноугольную смолу, высокомоле­кулярные алифатические спирты, крезолы, алкиларилсульфонаты и другие вещества. При флотации полиметаллических руд для выделения в виде отдельных концентратов всех полезных компонентов в пульпу вводят регуляторы, повышающие гидрофобное действие собирателей (активаторы) или способствующие повышению гидрофильности и предотвращающие адсорбцию собирателя на поверхности минерала (подавители). Флотореагенты обладают весьма высокой активностью 100 - 200 г на тонну флотируемого сырья (в отдельных случаях расход составляет 400 — 3000 г/т.)

Флотационное обогащение различается целью, природой применяемых флотореагентов и рН среды.

Флотация сульфидных руд. Цель флотации-повышение содержания суль­фидов металлов и отделение в виде хвостов железного колчедана и пустой породы. Флотореагенты: ксантогенат натрия (10 г/т), при флотации сфалерита — дополнительно вспениватель Т-66; рН = 8 — 9.

Флотация известняков и флюорита. Цель флотации- отделение пустой породы. Флотореагент- олеат натрия (100 г/т). рН = 9,0 -9,5.

Флотация каменного угля. Цель флотации -отделение от угля примесей суль­фида железа, оксида кремния и глины. Флотореагенты- керосин (1500 г/т) и Т- 66 (15 г/м³ пульпы).

Выполнение работы по флотационному обогащению сырья состоит из следующих последовательных операций: подготовка флотируемого материала, воды и флотореагентов; проведение процесса флотации; расчеты и оформление результатов.

Расчеты и оформление результатов. Количественными показателями процесса флотации являются выход концентрата, степень обогащения сырья и степень извлечения полезного компонента из сырья. Выход концентрата рассчитывают по формуле:

где m_K - масса полученного концентрата,г;

m_c - масса флотируемого сырья (навеска),г. Степень обогащения рассчитывают по формуле:

о >

К

где А кк - содержание полезного компонента в концентрате,масс.дол;. А_кс - содержание полезного компонента в сырье,масс.дол.

При расчете принимают, что концентрат состоит из чистого компонента, то есть что Акк = 1,0 мае.дол. Содержание полезного компонента в сырье А_кс, преподаватель задает перед выполнением работы.

Степень извлечения полезного компонента из сырья рассчитывают по формуле:

Х_и = Щкк m_KC

где m^- масса полезного компонента в концентрате,г;

m_KC- масса полезного компонента в сырье,г. Так как m^ m^A^ и m_KC= mc-A_KC, то подставив эти значения и значения m_K=^ ■ mc получим степень извлечения Х_и по формуле:

m А А (ш- т.)

К КК KK^N 2 1'

in A A m

К КС КС к

где m₂ и m_x — массы чашки с концентратом и пустой.

Массу флотационных хвостов рассчитывают по формуле: m_x = m4 - m3, где: m_x— масса хвостов, г; m₄ — масса фильтра с осадком, г; m₃ — масса фильтра, г.

Лит.: 1осн. [50-54], 5осн.[95- 105], 1 доп. [8-19]

Контрольные вопросы:

1. Объясните,на чем основан принцип обогащения методом флотации.

2. Перечислите количественные показатели процесса обогащения и дайте им

определение.

3. Какие минералы называются гидрофобными или гидрофильными?

4. С какой целью применяют различные флотагенты?

Задание 14 Подготовка и анализ технической воды

Методические рекомендации.

Цель работы. Ознакомление с методами анализа и умягчения технической (технологической) воды.

Содержание работы. Все природные воды содержат некоторое количество примесей в виде механических и коллоидных взвесей и растворенных веществ, природа и концентрация которых зависят от происхождения воды.

В воде для охлаждающего оборудования ограничивается содержание солей кальция, магния, железа и механических примесей, в том числе органических веществ, и не должно содержаться оксида углерода (IV) и сероводорода.

Вод а для паросилового хозяйства должна содержать минимальные количества кислорода и оксида углерода (IV); в ней должны отсутствовать механические примеси, щелочи и нефтепродукты.

К воде, используемой для технологических целей, то есть в качестве реагента или растворителя, предъявляются специальные требования, вытекающие из особенностей данного технологического процесса. Вода, применяемая в производственных процессах, не должна содержать вредных для реакции веществ, не корродировать аппаратуру, не образовывать в аппаратах и трубопроводах накипи и шлама.

1. Технический анализ водопроводной воды

Сущность метода. При техническом анализе в воде определяют жесткость, содержание оксида углерода (IV); содержание свободного хлора, сухой остаток и окисляемость.

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция и магния. Различают временную (бикарбонатную), постоянную (некарбонатную) и общую жесткость воды. Временная жесткость вызвана содержанием в воде растворимых бикарбонатов кальция и магния, образующих при кипячении выпадающие в осадок нерастворимые карбонаты их. Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде растворимых хлоридов, нитратов и сульфатов кальция и магния, не выпадающих при кипячении в осадок. Общая жесткость представляет сумму временной и постоянной жесткости.

Количественно жесткость воды выражается суммой концентрации (ммоль/л) ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре воды. При этом 1 ммоль/л жесткости соответствует 20,04 мг/л Са⁺⁺ или 12,16 мг/л Mg⁺⁺. По степени жесткости (числу ммоль/л солей) различают воду: очень мягкую (0 -1,5), мягкую (1,5 - 3,0), умеренно жесткую (3,0 - 6,0), жесткую (6,0 -10,0) и очень жесткую (более 10,0). Для определения жесткости воды используют весовой, объемный или колориметрический методы.

Карбонатную жесткость Ж_к определяют титрованием пробы воды раствором соляной кислоты в присутствии метилового оранжевого.

Общую жесткость Ж₀ определяют комплексометрическим методом путем титрования пробы воды раствором трилона Б (динатровая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) в присутствии индикаторов-хромогенов в слабощелочной аммиачной среде (рН = 9 -10).

Некарбонатную жесткость Ж_н рассчитывают как разность между общей жесткостью и карбонатной жесткостью:

Содержание оксида углерода (IV) определяют титрованием пробы воды раствором гидроксида натрия до бикарбкатиона.

Свободный или остаточный хлор содержится в водопроводной воде в результате ее хлорирования при водоподготовке. Определение содержания свободного хлора в воде основано на титровании йода, выделившегося в

эквивалентном количестве при действии содержащегося в пробе воды хлора, на иодид калия тиосульфатом натрия:

Окисляемостъ воды, вызвана присутствием в ней различных органических веществ и микроорганизмов, которые подвергаются окислению при действии на воду окислителей - перманганатов, хроматов, озона и др. Окисляемостъ воды определяют титрованием ее пробы перманганатом калия в кислой среде.

Сухим остатком называется остаток, полученный при испарении досуха и высушивании при 105°С пробы профильтрованной воды. В состав сухого остатка входят минеральные соли и органические вещества. Расчеты

Карбонатную жесткость рассчитывают по формуле:

Ж_к = V* С. • 1000 V

Общую жесткость рассчитывают по формуле:

Ж«= V₂k* С₂ * 1000 = 0,5 к • V, • ммоль/л

" V

где V = 100 — объем пробы воды, мл; V₁ — объем соляной кислоты на титрование, мл,; V₂ -объем раствора трилона Б на титрование, мл,; С=0,1-концентрация соляной кислоты, моль/л; С=0,05-концентрация раствора трилона Б, моль/л; к- поправочный коэффициент раствора трилона Б. Не карбонатную жесткость рассчитывают по формуле:

н = ^о - ^к

Содержание оксида углерода (IV) рассчитывают по формуле: С_с02 =0,00044 • V, * 1000 * 1000 = 2,2 V₃ мг/л.

V

где V = 200 — объем пробы воды, мл; V — объем раствора гидроксида натрия на титрование, мл;

0,00044 — количество оксида углерода (IV), эквивалентное 1 мл раствора гидроксида натрия концентрацией 0,01 моль/л, г. Содержание свободного хлора рассчитывают по формуле: Cci =0,000355 *k*V*1000*1000 = 17,75 к • V₄ мг/л.

V

где V = 20 — объем пробы воды, мл;

V₄ — объем раствора тиосульфата натрия на титрование, мл; к — поправочный коэффициент раствора тиосульфата;

0,000355 — количество хлора, эквивалентное 1 мл раствора тиосульфата натрия концентрацией 0,01 моль/л, г.

Окисляемостъ воды рассчитывают по формуле (в мг перманганата калия): Спм= (V5+ V6-V7)* 0,000316 * 1000 * 1000 = 3,16* V6 мг/л.

" " " V где: V = 100 — объем пробы воды, мл;

V₅ = 20 — объем раствора перманганата калия, введенного в колбу, мл; V₆ — объем раствора перманганата калия на титрование, мл; V₇ = 20 — объем раствора щавелевой кислоты, введенного в колбу, мл; 0,000316 — количество перманганата калия в 1 мл раствора концентрацией 0,002 моль/ л, г;

Содержание сухого остатка рассчитывают по формуле: С _ост =(а - в) • 1000 • 1000 = 10000 (а - в) мг/л V

где а — масса чашки с сухим остатком, г; в — масса пустой чашки, г; V = 100 — объем пробы воды, мл.

Лит.: 1осн.[69-79] 5осн.[116-124]

Контрольные вопросы:

1.Укажите основные направления использования воды в химическом производстве. Приведите примеры.

2.В чем заключается рациональное использование водных ресурсов в химической промышленности?

3.Что такое водооборот и с какой целью он используется?

4. Какие требования предъявляются к технологической воде?

Задание 15 Умягчение технической воды для химического производства содовонатронном и ионнообменным методами. Расчеты и оформление результатов.

Методические рекомендации.

Умягчение важнейшая часть водоподготовки технической и технологической воды. Умягчением называется частичное или полное удаление из воды солей кальция и магния с целью снижения ее жесткости. Методы умягчения подразделяются на физические (кипячение, дистилляция, электромагнитная обработка), химические и физико-химические. Химические методы заключаются в обработке воды различными реагентами, которые переводят растворенные в воде соли кальция, магния и железа в труднорастворимые соединения, удаляемые в виде осадка. К химическим методам относятся содовонатронный, известковосодовый и фосфатный. К физико-химическим методам относят метод ионного обмена.

Сущность методов. При содовонатронном методе умягчения воду обрабатывают смесью карбоната натрия и гидроксида натрия. При этом растворимые бикарбонаты кальция и магния, определяющие временную (бикарбонатную) жесткость воды, реагируют с гидроксидом натрия, переходя в труднорастворимые их карбонаты: Са(НС03)2 + 2 NaOH = СаС03 + N2C03 + 2^0 и Mg(HC03)2 + 2 NaOH = MgC03 + N2C03 + 2^0,

а сульфаты и хлориды кальция и магния, являющиеся причиной постоянной жесткости, реагируют с карбонатом натрия и также образуют карбонаты: CaS04 + Na2C03 = СаС03 + N2S04 и СаСЬ + Na2C03 = СаС03 + 2 HaCl.

Для снижения временной жесткости умягчаемую воду предварительно нагревают. При этом бикарбонаты частично переходят в карбонаты: Са(НС03)2 = СаС03 + С0₂ + Н₂0.

Выпавшие в осадок труднорастворимые карбонаты кальция и магния отделяют от умягченной воды отстаиванием и фильтрованием.

При ионнообменном методе умягчения воду пропускают через слой ионита - твердого, труднорастворимого минерального или органического вещества, способного обмениваться ионами с раствором (умягчаемой водой). Для умягчения воды применяют катиониты — вещества, способные обменивать ионы из раствора на катионы Н+, NH4, Na. К ним относятся сульфоуголь, син­тетические и природные алюмосиликаты (цеолиты, пермутит, глауконит) и высокомолекулярные соединения, содержащие кислотные группы S0₃H, COOH и ОН, в которых атомы водорода способны обмениваться на атомы металлов. Обычно для умягчения воды применяют Na-катиониты.

Т ехнологической характеристикой ионитов, катионитов, в частности, является емкость поглощения, или обменная емкость их - для катионитов Ек. Ее выражают в ммолях на м³ катионита. Емкость поглощения рассчитывается по формуле:

Е_к = (Жп-Жд,)- V- 1000

Vk

где: Ж₀ — общая жесткость воды, ммоль/л,

Ж_пр — предельно допустимая жесткость умягченной воды, ммоль/л, V — объем воды, прошедшей через катионит до достижения Ж, л Vk — объем катионита, м.

Емкость поглощения катионитов зависит от их природы, например, для

сульфоугля она составляет 1000 моль/м, для алюмосиликатов — 850 моль/м.

Na-катиониты, исчерпавшие свою емкость поглощения, могут быть регенерированы пропусканием через них раствора хлорида натрия концентрацией 5-10%мас. При этом протекает реакция (для соединений кальция):

Кат.2 * Са + 2NaCl = 2 Кат * Na + CaCh; или в ионой форме

Кат^м2 * Са++ + 2Na+ = 2Кат * Na+ + Са++;

а) Умягчение воды содовонатроннымметодом.

Для умягчения воды предварительно готовят раствор умягчителя. Для этого в 1 л дистиллированной воды растворяют 15 г гидроксида натрия и 21 г карбоната натрия и раствор фильтруют.

б) Умягчение воды ионообменным методом. Подготовка ионообменника к работе. Перед работой катионит

регенерируют, насыщая его ионами натрия. Для этого в вертикально расположенный ионообменник заливают через воронку 600 мл раствора хлорида натрия со скоростью около 20 мл в минуту. Затем, для удаления избытка хлорида натрия, регенерированный катионит промывают дистиллированной водой до полного исчезновения в промывных водах ионов хлора (проба с раствором нитрата серебра). Обычно на промывку расходуется около 1000 мл дистиллированной воды.

Умягчение воды. Через подготовленный катионообменник медленно пропускают 200 мл воды из склянки для отбора проб, регулируя скорость протекания ее краном. Умягченную воды собирают в коническую колбу и определяют в ней общую жесткость.