5.1.2. Кинетика реакций гетерогенного катализа.

Гетерогенное каталитическое превращение является сложным многоступенчатым процессом, включающим диффузию исходных реагентов из ядра газового потока к поверхности гранул катализатора (внешняя диффузия), проникание этих веществ в порах катализатора к активным центрам его внутренней поверхности (внутренняя диффузия), активированную адсорбцию продиффундировавших реагентов поверхностью катализатора с образованием поверхностных химических соединений, химическое взаимодействие адсорбированных веществ c образованием новых продуктов, десорбцию продуктов и их перенос к наружной поверхности гранул катализатора (внутренняя диффузия) и затем от этой поверхности в ядро газового потока (внешняя диффузия).

Во внешнедиффузионной области скорость реакции определяется скоростью переноса компонента к поверхности зерен катализатора:

, (5.8)

где F_ч - внешняя поверхность частицы катализатора; _г - коэффициент массоотдачи в газовой фазе; С_А, С_А^*- концентрации компонента А в газовом потоке и его равновесная концентрация на поверхности частицы катализатора.

Интенсивность или скорость каталитического превращения может быть выражена через количество конвертируемой в единицу времени  примеси G_A или количества образующегося в единицу времени продукта G_п каталитического взаимодействия:

; , (5.9)

где k - константа скорости процесса; С - движущая сила процесса, представляющая согласно закону действия масс произведение концентрацией реагирующих веществ.

Константа скорости каталитического превращения при данной температуре является функцией констант скоростей прямой, обратной и побочной реакций, а также коэффициентов диффузии исходных реагентов и продуктов их взаимодействия. Скорость гетерогенного каталитического процесса определяется относительными скоростями отдельных его стадий и лимитируется наиболее медленной из них.

Для внутридиффузионной области и реакции первого порядка суммарную скорость каталитического процесса находят, комбинируя уравнение массопередачи с уравнением диффузии и реакции внутри частицы:

, (5.10)

где V_ч - объем частиц катализатора; k - константа скорости реакции, отнесенная к 1 м³ катализатора; ; - средняя концентрация компонента А внутри поры; - максимально возможная концентрация компонента А у поверхности катализатора; - начальная концентрация компонента.

5.2. Химические процессы очистки сточных вод

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Их применяют для удаления растворимых веществ и в замкнутых системах водоснабжения. Химическую очистку проводят иногда как предварительную перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточных вод.

5.2.1. Нейтрализация сточных вод

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие pH = 6,5…8,5.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки.

Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, KOH, Na₂CO₃, NH₄OH (аммиачная вода), CaCO₃, MgCO₃, доломит (CaCO₃MgCO₃), цемент. Наиболее доступным реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Ca(OH)₂ 5…10%. Иногда для нейтрализации применяют отходы производства: шлаки металлургических производств.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. Различают три вида кислотосодержащих сточных вод:

1) воды, содержащие слабые кислоты (H₂CO₃, CH₃COOH);

2) воды, содержащие сильные кислоты (HCl, HNO₃);

3) воды, содержащие серную и сернистую кислоты.

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, известковым молоком в осадок выпадает гипс CaSO₄2H₂O, что вызывает отложение его на стенках трубопроводов.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты или кислые газы, например, отходящие газы, содержащие CO₂, SO₂, NO₂, N₂O₃ и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить очистку самих газов от вредных компонентов.

Количество кислого газа, необходимого для нейтрализации, может быть определено по уравнению массоотдачи:

, (5.11)

где M – количество кислого газа, необходимого для нейтрализации;  – фактор ускорения хемосорбции; _ж – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; F – поверхность контакта фаз; С – движущая сила процесса.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является ресурсосберегающей технологией, т.к. при этом ликвидируется сброс сточных вод, сокращается потребление свежей воды, экономится тепловая энергия на подогрев свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых компонентов (CO₂, SO₂ и др.) и от пыли.