Експериментальна частина

3.2.1 Визначення загальної твердості заданої проби води

Кожний аналіз виконується 2÷3 рази (паралельні досліди). Результати фіксують у таблиці 3.1. Третє визначення не виконується, якщо різниця у значеннях в попередніх двох аналізах не перевищує 0,1 см³. У формулах використовується середнє значення паралельних дослідів.

Визначення загальної твердості води проводять комплексонометричним методом.

У конічну колбу місткістю 250 см³ переносять 100 (50) см³ досліджуваної проби води, відміряної піпеткою, приливають 5 (2,5) см³ буферного розчину, додають кілька крапель індикатора хромового темно-синього. Розчин повільно титрують, старанно перемішуючи, розчином трилону Б концентрацією 0,05 М до переходу забарвлення розчину з фіолетово-малинового у синій колір.

Загальну твердість води обчислюють за формулою:

ммоль/дм³, (3.15)

де V₁ – об’єм трилону Б, який пішов на титрування, см³; С₁ - концентрація розчину трилону Б (0,05 М), моль/дм³; V – об’єм досліджуваної води, см³ (V = 100 або 50 см³ ).

3.2.2 Визначення карбонатної твердості води

Для визначення карбонатної твердості досліджуваної води відбирають піпеткою 100 (50) см³ води в конічну колбу місткістю 250 см³ і додають 2÷3 краплі фенолфталеїну. Якщо вода набуває блідо-рожевого забарвлення, її титрують 0,1 М розчином хлоридної (соляної) кислоти до знебарвлення. Потім у цю саму колбу додають 2÷3 краплі метилового оранжевого та продовжують титрувати соляною кислотою тієї ж концентрації до переходу забарвлення на рожеве.

Карбонатну твердість Тв_к обчислюють за формулою:

ммоль/дм³, (3.16)

де V_заг – загальний об’єм розчину хлоридної (соляної) кислоти, витраченого на титрування, см³; V_ф/ф - об’єм розчину хлоридної (соляної) кислоти, витраченого на титрування за індикатором фенолфталеїном, см³ ;C_HCl - концентрація соляної кислоти, 0,1 моль/дм³; V – об’єм проби води, см³.

Некарбонатну твердість знаходять як різницю між загальною та карбонатною твердістю:

, ммоль/дм³. (3.17)

3.2.3 Пом’якшення води іонообмінним способом

Через вертикальну циліндричну скляну колонку, заповнену іонообмінною смолою - катіоніт у Na- або Н-формі (типу КУ-2-8), пропускають воду з невеликою швидкістю (1 крапля за секунду), регулюючи затискачем витрати води на виході з колонки. Номери проби води на штативах над іонообмінними колонками відповідають номерам проб води з відомою (визначеною за п. 3.2.1) загальною твердістю. Коли в колбі-приймачі накопичиться ~ 150 см³ води, яка пройшла крізь шар іоніту, пропускання води припиняють. В пом’якшеній воді згідно п. 3.2.5 визначають залишкову загальну Тв_загзал .

3.2.4 Пом’якшення води реагентним способом

У розрахунках кількості реагентів для пом’якшення води припускаємо, що вода не має магнієвої твердості. В такому випадку об’єм вапняного молока обчислюють, враховуючи карбонатну твердість води:

(3.18)

де - об’єм вапняного молока, см³; Тв_к - карбонатна твердість досліджуваної води, ммоль/см³; - об’єм води, що треба пом’якшити, см³; - концентрація Са(ОН)₂ у вапняному молоці, моль/дм³.

Кількість розчину соди для пом’якшення води обчислюють, враховуючи некарбонатну твердість:

(3.19)

де - об’єм розчину соди, см³; Тв_нк – некарбонатна твердість досліджуваної води, ммоль/дм³; - концентрація розчину соди, моль/ дм³ .

Пом’якшення води

До колби об’ємом до 500 см³ (колба має бути виготовлена з термостійкого скла) переносять мірним циліндром певний об’єм зразка води (250 см³), додають розраховані кількості вапняного молока та розчину соди. Важливо дотримуватись певної послідовності додавання вказаних реагентів: спочатку треба ретельно змішати вапно з водою та додавати соду через 2÷3 хвилини після цього. Кип’ятять пробу 10÷15 хвилин (від початку кипіння). Потім колбу знімають з триноги (обов’язково надіти на пальці гумові трубки) і спочатку залишають на 5 хвилин на лабораторному столі (для попередження значних температурних перепадів, на які термостійкій посуд не розрахований), а вже потім ставлять під воду у мийці для бистрого охолодження до кімнатної температури (холодна вода не повинна потрапляти у колбу). Охолоджену воду (колба з водою не повинна бути теплою на дотик) фільтрують крізь паперовий фільтр на лійці у допоміжну ємність. З цієї ємності відбирають піпеткою необхідний об’єм фільтрату й визначають залишкову твердість води після пом’якшення згідно пп. 3.2.1.

3.2.5 Визначення залишкової твердості

Аналіз здійснюють аналогічно визначенню загальної (пп. 3.2.1). При титруванні проби після катіонування використовують розчин трилону Б з концентрацією 0,01 моль/дм³ (додавати у пробу по краплям) для підвищення точності визначення та можливого використання об’єму проби пом’якшеної води до 25 см³ (для забезпечення хоча б двох паралельних дослідів загальної та карбонатної твердості).

Величину залишкової твердості обчислюють за формулами (3.15), (3.16) та (3.17). Отримані значення заносять у таблицю.

Таблиця 3.1 – Результати аналізу проб води

Проба	Об’єм проби, см3	Твердість води	Об’єм реагенту на титрування, см3	Середнє значення, см3	Твердість, ммоль/дм3
паралельні досліди
вихідна		загальна
	карбонатна
після катіонування		загальна
після вапнування		загальна

3.3 Обробка і представлення результатів

За рівнянням (3.17) розрахувати некарбонатну твердість обробленої води.

Ступінь пом’якшення води для кожного з двох виконаних методів обробки води обчислюють за формулою, %:

(3.20)

де Тв_заг - загальна твердість досліджуваної проби води, ммоль/дм³;
Тв_загзал - залишкова твердість води після пом’якшення, ммоль/дм³.

Зробити висновок щодо ефективності пом’якшення води іонообмінним і реагентним способами за отриманими значеннями Х.

3.4 Техніка безпеки

1. При виконанні роботи необхідно дотримуватися загальних положень та правил безпечної роботи з хімічними реагентами, скляним посудом та газовими горілками.

2. Виконувати роботу треба згідно вказаної у даному тексті послідовності, за наявності сумнівів щодо виконання будь-якої процедури звертатись до викладача.

3.5 Контрольні запитання

- Допуск до роботи:

1. Мета роботи. Техніка безпеки.

2. Що таке твердість води? Назвати види твердості. Методика хімічного аналізу води на твердість.

3. Необхідність пом’якшення води.

- Захист роботи:

1. Навести рівняння іонообмінного та реагентного способів обробки води.

2. Дати порівняльну характеристику методів пом’якшення води.

3. Назвати стадії та процеси промислової підготовки води.

4 Отримання гідрокарбонату натрію

Мета роботи: отримати гідрокарбонат натрію, виконати аналізи сировини і продукту, розрахувати технологічні показники.

4.1 Стислі теоретичні відомості

Виробництво кальцинованої соди Na₂CO₃ за аміачним способом є гетерогенним некаталітичним багатостадійним процесом у системі Р-Г-Т (рідина – газ – тверде) і передбачає ряд стадій. Головною є стадія отримання гідрокарбонату натрію NaHCO₃, що має назву "карбонізація" - гетерогенний хемосорбційний екзотермічний процес, який відбувається в дифузійній області. Вихідна сировина цього процесу:

- сіль NaCl;

- вапняк або крейда (CаС0₃ - для отримання СО₂);

- аміак NH₃.

Карбонізація амонізованого розчину солі - це процес, у якому послідовно відбувається дифузія СО₂ у газовій фазі, абсорбція СО₂ аміачною водою, хімічна реакція, дифузія у розчині, кристалізація продукту.

Сумарна реакція процесу карбонізації:

. (4.1)

Вище зазначено, що реакція (4.1) має кілька стадій, котрі спрощено можна подати такими реакціями. Спочатку більша частина оксиду вуглецю (IV) зв’язується у карбонат амонію:

, (4.2)

який у подальшому перетворюється на гідрокарбонат амонію:

_. (4.3)

Гідрокарбонат натрію утворюється в результаті обмінної реакції між хлоридом натрію і гідрокарбонатом амонію:

. (4.4)

Амонізація розсолу необхідна для введення до нього оксиду вуглецю (IV), нерозчинного у насиченому розчині NaCl.

Ступінь перетворення NaCl (X_Na⁺) визначається співвідношенням кількості NaCl, що перетворився на NaHCO₃ - , до вихідної кількості NaCl, що надійшла на карбонізацію - :

(4.5)

Ступінь перетворення аміаку визначається співвідношенням NH₃, що зв’язався у NH₄Cl - , до вихідної кількості аміаку, що надійшла з розсолом на карбонізацію - :

(4.6)

У промисловості процес карбонізації відбувається в осаджувальній карбонізаційній колоні. У зв’язку зі складністю процесів в осаджувальній колоні немає єдиного узагальненого кінетичного рівняння для їх опису, яке дозволило б розрахувати час перебування реагентів у апараті та геометричні розміри колони. Тому швидкість процесу карбонізації умовно розглядають як складову швидкостей двох стадій: абсорбції СО₂ і кристалізації гідрокарбонату натрію.

Рівняння швидкості абсорбції CO₂ (W_а, кмоль/год) має вигляд:

(4.7)

де К_а - константа швидкості абсорбції, кмоль/(Пa·м²·год); DР - рушійна сила процесу карбонізації, Па, яка дорівнює різниці парціального тиску CO₂ у газовій фазі і пружності пари СО₂ над розчином , Па; F - поверхня контакту фаз Г - Р, м².

Швидкість абсорбції СО₂ залежить від швидкості дифузії NH₃ до поверхні розподілу фаз Г-Р , тому з підвищенням температури К_а, а отже, і W_a збільшуються. Однак із підвищенням температури збільшується рівноважний тиск (пружність) СО₂ над рідкою фазою, що веде до зменшення DР і, відтак, до зниження швидкості абсорбції. Таким чином, позитивний вплив підвищення температури на К_а обмежується переважним зростанням рівноважного тиску СО₂ над рідкою фазою. Отже, для підвищення швидкості карбонізації бажано знижувати температуру процесу абсорбції.

На повноту і швидкість карбонізації впливає секційне введення СО₂: до середньої частини колони вводять «розбавлений» СО₂, а до нижньої
частини колони - концентрований. Оскільки у ході реакції збільшується із зростанням концентрації NaHCO₃ і температури, то вказаний прийом введення СО₂ підвищує , а отже, і рушійну силу процесу в нижній частині колони.

Зростанню швидкості абсорбції сприяє розвиток поверхні контакту фаз Г - Р , що досягається завдяки будові карбонізаційної колони - наявністю барботажних тарілок у верхній частині колони.

Процес кристалізації NaHCO₃ складається з двох послідовних стадій: утворення зародків кристалів та ріст кристалів. Утворення зародків відбувається у пересичених розчинах, коли пересичення сягає певної величини.

Швидкість процесу кристалізації, кмоль/год:

(4.8)

де K_k - константа швидкості кристалізації, м/год; DС - рушійна сила процесу, що дорівнює різниці концентрацій NaHCO₃ у пересиченому розчині і рівноважної концентрації, кмоль/м³: ; F - поверхня кристалів, м².

На швидкість процесу кристалізації впливає велика кількість чинників, з яких головними є: пересичення, температура, інтенсивність перемішування.

З підвищенням температури збільшуються як швидкість утворення зародків, так і швидкість зростання кристалів, тобто зростає величина K_k , але із зниженням температури збільшується пересичення розчину за NaHCO₃, через те, що зменшується розчинність NaHCO₃, тобто збільшується рушійна сила процесу DС.

Тому у колоні підтримують такий температурний режим: у зоні утворення зародків – 333÷338 К (60÷65 °C), у нижній частині колони, де відбувається масова кристалізація 308 ÷ 313 К (35÷40 °C).

Збільшення F у рівнянні (4.8) можливе за рахунок зменшення розміру кристалів при збільшенні температури, але для збільшення швидкості фільтрування необхідні досить великі кристали NaHCO_3.

На стадії росту кристалів перемішування впливає на швидкість процесу у тому разі, якщо лімітуючою стадією є підведення речовин до поверхні кристалу, тобто якщо процес відбувається у дифузійній області. Тоді із зростанням інтенсивності перемішування зростає швидкість конвективної дифузії, що призводить до збільшення швидкості росту кристалів.