Вопросы для самопроверки

1. Что такое дисперсные системы?

2. Дайте определение понятий – «пыль», «аэрозоль».

3. Что является дисперсионной средой и дисперсной фазой в системе «пыль», в системе – «уловленная пыль»?

4. Что понимают под запыленностью или пылесодержанием воздуха?

5. Что такое насыпная плотность твердых материалов?

6. Как определяют удельную поверхность пыли?

7. Что понимают под дисперсным составом пыли?

8. Что такое функция распределения плотности массы частиц по разме рам?

9. В чем суть метода квартования пробы пыли?

10. Как оценивается эффективность пылеулавливания?

11. В каких производствах текстильной и легкой промышленности образуются газопылевые выбросы?

Рекомендуемая литература [2, с. 87–94]

Работа 4. Изучение закономерностей адсорбционной очистки сточных вод от вредных примесей

Адсорбция является универсальным методом, позволяющим практически полностью извлечь примеси из газовой или жидкой среды. В современной химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, в производстве химических волокон адсорбционный метод широко используется для глубокой очистки технологических потоков отходящих газов и сточных вод. В технике широко применяются адсорбенты с развитой поверхностью: силикагели, алюмогели, активные угли, цеолиты и т. д.

Адсорбционные процессы весьма разнообразны; при расчете и выборе технологии адсорбционного процесса инженеру необходимо учитывать многочисленные и разнообразные аспекты: равновесие, кинетику, динамику, гидравлическое или аэродинамическое сопротивление и т. д.

Адсорбцией называют концентрирование вещества на поверхности и в объеме пор твердого тела. По типу сил, обусловливающих адсорбцию, все адсорбционные процессы и явления можно подразделять на две основные группы: физическую адсорбцию и хемосорбцию. Адсорбция является процессом самопроизвольным и экзотермическим. В отличие от физической адсорбции при хемосорбции не сохраняются индивидуальность адсорбата.

В системах «адсорбент – адсорбат» количество поглощенного вещества ( ) является функцией концентрации или парциального давления ( или ) и температуры :

. (4.1)

При описании адсорбционного равновесия количество поглощенного вещества (адсорбционную способность, величину адсорбции) выражают обычно в молях на 1 г адсорбента, в граммах на 100 г адсорбента, иногда на 1 см³ адсорбента. Вышеприведенное уравнение называют термическим. В качестве характеристики адсорбционных свойств твердых тел используют зависимость адсорбционной способности от давления при постоянной температуре – изотерму адсорбции при . Иногда для описания адсорбционного равновесия используется зависимость адсорбционной способности от температуры при постоянном давлении или концентрации адсорбтива, изобару или изоконцентрату адсорбции.

В основе расчета процессов очистки и рекуперации, осуществляемых с помощью твердых адсорбентов, лежат закономерности динамики адсорбции. Динамика адсорбционных процессов рассматривает пространственно-–временные распределения компонентов между фазами системы (одна из которых – твердая), возникающие при перемещении этих фаз относительно друг друга.

Формирование и перемещение фронта адсорбции по длине или высоте адсорбента иллюстрирует рис. 4.1.

Рис. 4.1. Закономерности формирования и перемещения

фронта адсорбции

В период, соответствующий времени , слой адсорбента можно разделить на три зоны: полностью насыщенный слой , работающий слой и еще не начинавший работать слой адсорбента . К моменту времени кривая распределения перемещается в концевой слой адсорбента. Этот момент называется моментом "проскока", когда в выходящем потоке появляется и начинает прогрессивно возрастать концентрация извлекаемого вещества. Время называют временем защитного действия слоя адсорбента.

Для обеспечения в технологии должной степени извлечения адсорбтива или степени очистки адсорбер перед наступлением "проскока" переключают на стадию десорбции. Если анализировать приведенный выше рисунок, становится явным, что часть адсорбента в работающем слое остается ненасыщенным. Степень недоиспользования адсорбционной емкости в работающем слое определяют коэффициентом симметричности.

Для характеристики адсорбционных процессов используют следующие величины: динамическую адсорбционную способность слоя адсорбента, количество вещества, поглощенного до момента "проскока", отнесенное к массе загрузки всего адсорбера. Отношение динамической адсорбционной емкости слоя к равновесной адсорбционной способности адсорбента называют степенью использования адсорбционной емкости слоя:

. (4.2)

Величина определяется также соотношением высоты (длины) адсорбера и высоты (длины) работающего слоя:

. (4.3)

Между временем защитного действия слоя и длиной слоя адсорбента существует зависимость, определяемая формулой Шилова:

, (4.4)

где k – коэффициент защитного действия, показывающий, какое время слой толщиной 1 см адсорбера в условиях стационарного режима задерживает поглощаемое вещество; – потеря времени защитного действия, связанная с начальным периодом формирования кривой распределения адсорбата.

Экспериментальное исследование статики и динамики адсорбции

Адсорбцию примесей твердыми телами исследуют статическими и динамическими методами. Для изучения равновесия в статических условиях навеску адсорбента помещают в известный объем жидкости с известной концентрацией извлекаемого вещества и после достижения равновесия измеряют в нем остаточную (равновесную) концентрацию, температуру и количество поглощенной примеси. Адсорбционную способность определяют по убыли примеси в растворе. Статические методы применяются обычно при изучении адсорбции индивидуальных веществ.

По результатам измерения концентрации извлекаемого вещества в исходном растворе ( ) и после насыщения адсорбента (C) рассчитывают его адсорбционную емкость при данной (равновесной) концентрации (C) и температуре. Эта величина является (при недостатке времени в лабораторных условиях студенческого практикума можно условно считать) равновесной адсорбционной емкостью. Расчет проводят по формуле

, (4.5)

где – объем жидкой фазы (или масса жидкой фазы); – масса исходного адсорбента.

Размерность величины зависит от использования различных размерностей исходных величин. При изучении равновесия работают обычно сразу с несколькими растворами, отличающимися исходной или навесками адсорбента.

Результаты измерения заносят в таблицу экспериментальных данных и строят графическую зависимость равновесной адсорбционной способности сорбента от концентрации вещества в конечном (равновесном) растворе – изотерму адсорбции. По результатам измерений определяют коэффициенты в уравнении Фрейндлиха.

Для изучения динамики адсорбции используют установку, приведенную на рис. 4.2.

Подготовка установки к работе заключается в приготовлении исходной жидкости (раствора), заполнении колонки адсорбентом в необходимом количестве с фиксацией заданной высоты сорбента и его массы. Расход жидкой фазы регулируют по заданной величине скорости жидкости. Через определенные промежутки времени отбирается проба жидкой фазы после аппарата для анализа на содержание извлекаемого вещества. Процесс проводится до тех пор, пока на выходе из адсорбера концентрация компонента будет мало отличаться от исходной концентрации.

Рис. 4.2. Схема установки для изучения динамики адсорбции:

1 – емкость с исходным раствором; 2 – измеритель расхода; 3 – адсорбционная колонна; 4 – слой адсорбента; 5 – сборник очищенной жидкости; 6 – арматура для регулирования расхода и отбора проб

По результатам эксперимента строится выходная кривая в координатах . Времени проскока соответствует появление за слоем адсорбента минимальной концентрации примеси, а времени установления равновесии – появление "равновесной" концентрации, соответственно, и . Обычно в экспериментах принимают , .

На динамику сорбции могут оказывать влияние скорость пропускания жидкой фазы, крупность зерна и соответственно, порозность слоя и другие факторы. Если задана допустимая предельная концентрация извлекаемого вещества на выходе (например, на уровне ПДК), то с помощью выходной кривой определяют , т. е. время защитного действия и рабочую емкость сорбента. Последняя величина и служит для расчета размеров адсорбера.

Работа заключается в изучении статики или динамики адсорбции в определенной системе с обработкой экспериментальных результатов, как показано выше.

Экспериментальные данные представляются в виде таблиц данных, результатов графической обработки (изотермы сорбции, выходные кривые), величин коэффициентов уравнения Фрейндлиха, коэффициента распределения.

Используемые адсорбенты: активированные угли разных марок, а изучаемая система: вода – уксусная кислота.

Для анализа состава жидкой фазы используют рН-метрию, определяя по рН концентрацию ионов водорода в растворе слабодиссоциированной уксусной кислоты и далее через константу ее диссоциации (К_дисс) рассчитывают концентрацию СН₃СООН, моль/дм³:

С _{СН3СООН} = [Н⁺]² / К_дисс + С _Н⁺. (4.6)

При 18–25  С К_дисс можно принять равной 1.75 × 10^–5.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое адсорбция?

2. В чем отличие химической адсорбции от физической?

3. В чем отличие терминов «адсорбат» и «адсорбтив»?

4. Определите величину адсорбционной емкости и дайте ее другие названия.

5. Что такое изотерма адсорбции? Изобразите различные типы изотерм адсорбции.

6. Что понимают под термином «фронт адсорбции»?

7. Что изучает кинетика адсорбции (экспериментально) и динамика адсорбции?

9. От каких факторов зависит скорость перемещения кривой распределения адсорбата в стационарном режиме?

9. Что такое время защитного действия слоя адсорбента?

10. Что понимают под "проскоком" вещества?

11. Объясните отличие равновесной и динамической адсорбционной емкости слоя?

12. Что характеризует в адсорбционных процессах коэффициент симметричности?

13. Напишите уравнение Фрейндлиха и укажите особенности его использования?

14. В чем суть теории адсорбции Ленгмюра?

15. Какие типы адсорберов используются в промышленности? Дайте кратко их характеристики.

16. Для каких целей применяют адсорбцию в инженерной защите окружающей среды в текстильной и легкой промышленности?

17. Какие поры присутствуют в промышленных адсорберах?

18. Какие главные особенности характерны для активированных углей и их главный недостаток?

Рекомендуемая литература [2, с. 7–33]

Работа 5. Ионообменная очистка сточных вод

Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов (ионитов) поглощать из воды (или растворов электролитов) катионы или анионы в обмен на эквивалентное количество более «слабосвязанных» ионов катионита или анионита.

Иониты по своему составу могут быть минерального происхождения (цеолиты, алюмосиликаты, торф и др.) и синтетические смолы. Смолы имеют полимерную основу различного строения и содержат функциональные активные группы: –HSO₃, –OH, –HPO₃, –COOH, –NH₂, –NH и т. д. Некоторые иониты могут содержать несколько групп. В зависимости от типа функциональных групп катиониты подразделяют на сильно- (–НSО₃) и слабокислотные (–ОН, –СООН). Сильнокислотные катиониты обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой средах, а слабокислые – только в щелочной среде.

Каждый ионит обладает определенной обменной емкостью (способностью). Обменную емкость катионита измеряют в г-экв задержанных катионов на 1 кг (дм³) ионита, находящемся в набухшем состоянии. Иногда выражают емкость в г иона на 1 кг сухого ионита и т. д.

Различают полную и обменную емкость ионита. Полной обменной емкостью называют то количество ионов, которое может извлечь из сточной воды единица объема (массы) ионита, находящегося в рабочем состоянии до того момента, когда концентрация извлекаемого иона в фильтрате становится равной его концентрации в исходной воде. Рабочей объемной емкостью катионита называют то количество ионов, которое извлекает единица массы (объема) ионита до момента "проскока", т. е. до момента, когда концентрация иона достигает заданной величины для очищенной воды, например, ПДК.

Рабочая обменная емкость ионита зависит от вида извлекаемых из воды ионов, концентрации извлекаемого иона, реакции среды, температуры, типа ионита.

При достижении равновесия и истечения обменной емкости ионита его подвергают регенерации. Регенерация проводится обработкой щелочными, кислотными или солевыми растворами, содержащими ион, на который необходимо обменять уловленную из сточной воды примесь, обычно это ионы водорода, натрия или гидроксид-ион.

Целью работы является изучение закономерностей извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов с различной концентрацией и рН среды.

Методика проведения работы и анализа результатов

Ионообменные процессы изучают в статических и динамических условиях. В статических условиях определяют статическую обменную емкость (СОЕ) при определенных величинах рН и начальном содержании извлекаемого иона, а также других примесей. Для этого берут 5–6 колб, в которые помещают определенное количество исходного раствора (сточной воды) с заданной концентрацией извлекаемого иона или с 5–6-ю концентрациями его при прочих равных условиях. В колбы вносят определенное количество набухшего ионита или разные его количества. Процесс при перемешивании ведут не более 0.5 ч, принимая, что равновесие достигается за это время. В большинстве случаев это соответствует истине. Далее определяют содержание извлекаемого иона в водной фазе и по результатам опытов рассчитывают СОЕ для каждого из опытов (для каждой концентрации). Расчет ведут по формуле

, (5.1)

где СОЕ – статическая обменная емкостью, мг/г; С_исх, С_кон – концентрация извлекаемого иона в растворе до и после опыта, г/дм³; Y_р-ра – объем исходного раствора, дм³; М_и-та – масса взятого для опыта набухшего ионита, г.

По заданию преподавателя студенты могут изучать влияние концентрации ионов, продолжительности процесса, рН среды, присутствия других ионов, ПАВ, примесей, температуры на величину СОЕ.

По результатам расчетов строится графическая зависимость СОЕ от различных факторов, например, изотерма ионного обмена как функция СОЕ от конечной (равновесной) концентрации иона или рН, температуры и времени при прочих равных условиях.

Большое значение для определения технологических показателей имеет изучение динамики процесса. Для этого на установке (рис. 5.1) через аппарат, с определенной высотой слоя ионита (известным объемом или массой набухшего ионита), при заданной скорости фильтрования пропускают исходный раствор (воду) и в пропущенной воде определяют содержание извлекаемого иона.

Рис. 5.1. Установка для изучения динамики адсорбции примесей из сточной воды:

1 – емкость для исходного раствора; 2 – ионообменная колонка с ионитом; 3 – сборник очищенной воды

Выходные кривые представляют собой графическую зависимость концентрации извлекаемого иона от продолжительности процесса или объема пропущенной воды (рис. 5.2). По выходной кривой определяются полная динамическая обменная емкость (ПДОЕ) или динамическая обменная емкость (ДОЕ), характеризующая количество воды, которое способен очистить данный ионит до требуемого остаточного содержания извлекаемого иона – это и есть рабочая обменная емкость.

Концентрация примеси, кг/м^3
	Объем пропущенного раствора, м^3

Рис. 5.2. Выходная кинетическая кривая концентрации примеси в растворе после ионита

По выходной кривой определяются требуемые величины ПДОЕ или ДОЕ. Они представляют собой площади, ограничиваемые, соответственно, между прямой, характеризующей исходную концентрацию иона, и кривой, характеризующей изменение концентрации иона в течение всего процесса очистки. Для ДОЕ используется площадь между прямой, характеризующей допустимую концентрацию иона за фильтром, и кривой, показывающей изменение концентрации иона до достижения некоторой предельной концентрации, например, ПДК. Расчет проводится по формуле

, (5.2)

где – объем пробы воды, пропущенной за промежуток времени , дм³; С_исх, С_кон – концентрации извлекаемого иона в исходном растворе (воде) и очищенной пробе воды соответственно, г/дм³; М_и-та – масса взятого набухшего ионита, г.

Работа может включать в себя изучение влияния высоты слоя ионита, скорости фильтрования, рН среды, температуры, наличия других примесей на закономерности очистки.

Для исследования используются катиониты КУ-2-8, волокнистый ионит "Копан" или другие, специально выбранные преподавателем. Для изучения процесса ионного обмена применяют растворы хлорида железа (III). Концентрация металла в исходных растворах изменяется от 20 до 100 мг/дм³ (по указанию преподавателя), температура – от комнатной до 60 °С. При исследовании в статических условиях принимают диапазон соотношений ионит: вода от 1 : 2 до 1 : 300, а рН среды, создаваемой добавлением серной кислоты или едкого натра, – от 3 до 10. Скорость пропускания воды в динамике принимается от 10 до 500 мл/мин при высоте слоя ионита от 10 до 200 мм.

Для анализа концентрации извлекаемого иона используют фотоколориметрический метод. В мерные колбы вместимостью 25 (или 50) мл вносят аликвоту анализируемого раствора хлорида железа (III), приливают по 5 мл дистиллированной воды, 1(2) мл 25 %-го раствора соляной кислоты, 2(4) мл 10 %-го раствора сульфосалициловой кислоты, 6(12) мл концентрированного раствора аммиака и доводят до метки; далее все тщательно перемешивают. Одновременно готовят контрольные растворы, не содержащие ионов железа, добавляя все указанные растворы. Через 10 мин измеряют оптическую плотность приготовленных растворов по отношению к контрольному образцу в кюветах с толщиной поглощающего свет слоя 20 мм на длине волны 420 – 440 нм. Массовую долю железа вычисляют по формуле

С (мг Fe/дм³) = Х×1 000 / объем аликвоты, (5.3)

где X – найденное по калибровочной кривой количество железа, мг.

Калибровочную кривую строят заранее, для этого применяют раствор с известной концентрацией железа, путем его разбавления или используют для приближенных расчетов рис. 5.1, а результаты эксперимента вносят в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Экспериментальные данные по адсорбции ионов железа

Объем пропущенного раствора, м^3	Продолжительность опыта, мин	Коэффициент пропускания	Концентр. иона, кг/м^3	Измеряемая величина емкости, кг/кг
				СОЕ	ПДОЕ	ДОЕ

Рис. 5.1. Калибровочная кривая для определения концентрации

ионов железа фотоколориметрическим методом