Водовідводні системи промислових підприємств

Водовідводні системи промислових підприємств

Водоводні системи промислових підприємств. Методичні вказівки до лабораторних робіт для студентів спеціальності 7.092601 “Водопостачання і водовідведення” денного та заочного відділення / Укладачі Сокольник В.І., Романець О.В. - Запоріжжя, ЗДІА, 2004. - с.

Укладачі - В.І. Сокольник, к. т. н., доцент

О.В. Романець, асистент

Відповідальний за випуск - В.І. Сокольник, к.т. н., доцент,

зав. каф. ВВ.

Зміст

Вступ

1. Лабораторна робота №1. Очищення стічних вод від катіонів важких металів переводом їх в важкорозчинні сполуки

2. Лабораторна робота №2. Електрохімічне очищення промислових стічних вод від йонів міді

3. Лабораторна робота №3. Визначення оптимальної дози коагулянту при очищенні промислових стічних вод

4. Лабораторна робота №4. Вибір розчинника для рідинної екстракції із води

5. Лабораторна робота №5. Визначення сорбційної ємності катіонітів при очищення стічних вод йонообмінним методом

Література

Рисунок 1.1 - S-подібна потенціометрична крива осадження катіонів металів із стічних вод

Згідно з рис. 1.1. зона А відповідає процесу нейтралізації вільної кислоти або лугу при введенні іонів реагента-осаджувача до початку реакції осадження.

Зона В (рис. 1.1.) відповідає процесу переходу йонів металу в малорозчинну сполуку;

а-b - кількість реагенту витраченого на реакцію осадження.

Зона С (рис. 1.1.) відповідає надлишку реагента-осаджувача, а відрізок b-c - надлишок реагента-осаджувача.

Методи осадження застосовують в основному для очищення промислових стоків, які забруднені катіонами металів (Ni2+, Cu2+, Co3+, Fe3+, Hg2+ і т.д.), рідше аніонами (поширена лише обробка фосфатів).

Недоліком методу осадження, як і всіх хімічних методів, є поява в розчинах великої кількості йонів Na+, K+, Ca2+.

Оптимальну дозу хімічного реагенту, необхідного для повного осадження йонів-забруднювачів визначають експериментально: пробним коагулюванням або методом потенціометричного титрування.

1.3. Реактиви, посуд та прилади

1. 0,1н розчин NaOH.

2. Розчин Na2CO3.

3. Розчин, який імітує стічну воду і містить іони Cu2+ (або Ni2+).

Рисунок 1.2 - Схема лабораторної установки для визначення оптимальної дози реагента-осаджувача

4. Хімічні стакани - 2 шт.

5. Лабораторна установка (рис. 1.2)

1 - магнітна мішалка;

2 - стакан;

3 - електроди потенціометра;

4 - бюретка;

5 - потенціометр (рН-метр).

1.4 Методика експерименту та обробка даних

В скляний стакан ємністю 100мл наливають 50 мл стічної води, яка містить йони міді (або йони нікелю).

В бюретку №1 до нульової позначки наливають розчин реактива-осаджувача - 0,1н розчин NaOH.

Визначають рН вихідної стічної води. Потім в стічну воду добавляють 1-2 мл титрувального розчину. Записують значення потенціометра. Для побудови кривої осадження необхідно виконати: подальші титрування і заміри на потенціометрі (від 10 до 20). Результати експерименту заносять до табл. 1.1.

В звіті зазначаються: назва та мета лабораторної роботи; схема лабораторної установки, описується методика експерименту та наводяться результати у вигляді таблиць та графіків. В кінці роботи пишеться висновок.

1.6 Контрольні запитання

1. Зміст методу хімічного осадження (з наведенням хімічних реакцій).

2. Чинники, які впливають на процес осадження йонів важких металів із стічних вод.

3. Обґрунтуйте S-подібну криву потенціометричного титрування, яку отримали при хімічному осадженні.

4. Яким реактивом-осаджувачем краще осаджуються йони міді.

5. Переваги та недоліки методу хімічного осадження.

Z - хімічний еквівалент металу (атомна вага поділена на валентність йонів даного металу, Z=A/n);

F - число Фарадея, F=96500 Кл.

Кількість речовини (в грамах), яку отримали при проходженні одиниці електрики, називають електрохімічним еквівалентом. На практиці електрохімічний еквівалент відносять не до сталої Фарадея, а до 1А·год. Оскільки F=96500 Кл =26,8 А·год, то електрохімічний еквівалент (m) зв'язаний з хімічним наступним співвідношенням:

(2.2)

Електрохімічний еквівалент міді m=1,185.

Кількість металу, яка виділилась на катоді, згідно за законом Фарадея, визначається за формулою:

. (2.3)

При електролізі розчину міді:

на катоді в електролізері проходять слідуючи процеси:

процес проходить з виділенням водню;

інколи 2Н++SO42-H2SO4 - проведення процесу без виділення водню;

на аноді: 4OH- _ 4O2+H2O

В реальних умовах при електролізі проходять побічні електрохімічні та другорядні хімічні реакції, які зменшують вихід за струмом (Вт). Величина Вт вказує наскільки правильно організовано процес електролізу і розраховується за формулою (%):

, (2.4)

де qексп - кількість грамів металу, яка виділилась на катоді при проведенні досліду, г;

qТ - кількість грамів металу, яка повинна була виділитися на катоді згідно з законом Фарадея, г.

2.3 Реактиви, посуд та прилади

1. Стічна вода, яка містить 250 г/л CuSO4·5H2O та 64г/л H2SO4.

2. Стічна вода, яка містить 100 г/л CuSO4·5H2O та 64 г/л H2SO4.

3. Аналітичні терези.

4. Лабораторна установка (рис. 2.1)

1 - електролізер;

2 - мідний катод;

3 - свинцевий анод;

4 - амперметр;

5 - вольтметр;

6 - джерело струму.

2.4 Методика експерименту та обробка даних

Катод перед початком експерименту зачищають наждачним папером, знежирюють в содовому розчині та промивають водою. Потім висушують і зважують на аналітичних терезах.

Величину струму розраховують виходячи з прийнятої густини струму та розмірів катода за формулою:

, (2.5)

де j - густина струму, приймається j=5 А/дм2;

S - площа катода, дм2.

Перевіривши правильність зібраної схеми лабораторної установки, електроди занурюють в електроліт і пропускають через систему електричний струм. На протязі всього експерименту (приблизно 1год) струм підтримують постійним і визначають напругу в електролізері.

По закінченню електролізу катод обережно промивають водою, залишки води видаляють за допомогою фільтрувального паперу. Катод висушують і зважують на аналітичних терезах.

Потім розраховують вихід за струмом (формула 2.4).

Витрату електроенергії на одиницю видаленого металу (Wпит) визначають за формулою:

Wпит = U·105/(m·Вт), кВт·год/т, (2.6)

де U - напруга на клемах електролізера, В.

Експерименти проводять із стічними водами, які містять: в першому випадку 250 г/л CuSO4·5H2O та 64г/л H2SO4; в другому випадку 100г/л CuSO4·5H2O та 64г/л H2SO4.

Результати експериментів заносять до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Результати експериментів при катодному осадженню міді

2.5 Зміст звіту

В звіті зазначаються: назва та мета лабораторної роботи; наводиться схема лабораторної установки; описується методика експерименту та наводяться результати розрахунків у вигляді табл. 2.1.

В кінці роботи пишеться висновок.

2.6 Контрольні запитання

1. Сформулювати закони Фарадея. Фізичний зміст сталої Фарадея.

2. Хімічний та електрохімічний потенціали металів.

3. Які основні хімічні процеси проходять на катоді та аноді в електролізері.

4. Як визначається вихід за струмом.

4.1 Мета роботи

Ознайомитися з методикою та критеріями вибору екстрагенту для видалення органічних забруднень із стічних вод методом екстракції.

4.2 Загальні положення

Органічні речовини, розчинені та завислі в стічних водах, розчиняються в деяких органічних розчинниках набагато краще, ніж у воді. Це дає змогу видалити їх з води методом рідинної екстаракції. Процес екстракції заключається в зміщуванні стічної води з екстрагентом і наступним їх розділенням. При цьому органічні речовини розподіляються між екстрагентом і водою , досягається динамічна рівновага їх концентрацій в цих фазах. Ці фази характеризуються коефіцієнтом розподілу:

(4.1)

де Сe - рівноважна концентрація речовини в органічній фазі (екстракті);

Св - рівноважна концентрація цієї ж речовини в водній фазі (рафінаті).

Коефіцієнт розподілу А - це величина, по якій можна судити про екстрагуючу здатність розчинника для екстракції враховують його вартість, токсикологічні характеристики, повноту і швидкість розподілу фаз та інші чинники.

4.3 Реактиви, посуд та прилади

Бензол.

Н-бутилат.

Диізопропіловий ефір.

Стічна вода, з концентрацією фенола ~ 3 г/л.

Лабораторна установка (рис.4.1)

Рисунок 4.1 - Схема лабораторної установки для екстракції.

1 - екстрактор;

2 - перемішувач;

3 - лійка;

4 - кришка;

5 - зливний патрубок.

4.4 Методика експерименту та обробка даних

Коефіцієнт розподілу визначається для трьох розчинників: бензолу, Н-бутилацетату та диізопропілового ефіру. Досліди проводяться з кожним з цих розчинників в нижченаведеній послідовності.

В екстрактор, приблизно на третину його об'єму, заливають стічну воду, яка містить ~3 г/л фенолу (визначається аналізом). Потім в екстрактор заливають такий же об'єм розчинника. Вмикають перемішувач і розчинник активно перемішується з водою на протязі 10 хвилин. Після закінчення перемішування суміш відстоюється на протязі 30 хвилин. За це й час вона розшаровується потім зливають 2/3 водного розчину в чисту колбу. З цієї колби відбирають проби, в яких визначають рівноважну концентрацію фенолу бромметричним методом [2, стор. 256].

Концентрація фенолу в органічній фазі розраховується за формулою:

; (4.2.)

де V1 - об'єм стічної води, л

V2 - об'єм екстрагенту, який завантажують в екстрактор, л;

Со - вихідна концентрація фенолу у стічній воді, г/л;

Св - рівноважна концентрація фенолу у воді, г/л.

Коефіцієнти розподілу розраховуються за формулою 4.1.

Результати експерименту та розрахункові дані заносять до табл. 4.1.

Таблиця 4.1 - Результати визначення коефіцієнту розподілу

4.5 Зміст звіту

В звіті зазначаються: назва та мета лабораторної роботи, схема лабораторної установки, описується методика експерименту та наводяться результати експерименту і розрахунків у вигляді таблиці 4.1.

В кінці роботи пишеться висновок.

4.6 Контрольні запитання

1. Критерії вибору екстрагенту для екстракції органічних речовин з промислових стічних вод.

2. Методика визначення і розрахунку коефіцієнта розподілу.

3. Що таке екстракція і які є види екстракції.

Ознайомитись з основними закономірностями сорбційної йонообмінної технології очищення промислових стічних вод.

5.2 Загальні положення

Умовно йоніт можна розділити на три складові частини: матриця, фіксовані йони та протийони.

За природою матриці йоніти поділяють на неорганічні та (мінеральні) і органічні, природні і штучні (синтетичні). До неорганічних природних йонітів належать: природні цеоліти, глинисті мінерали (алюмосилікати), в тому числі бентонітові глини, глауконіт, вермикуліт, польові шпати, фельдшпатоїди, слюди, оксиди, фосфати і силікати металів (титану, кальцію, цирконію та ін.), рудні мінерали змінного складу.

До неорганічних штучних відносять: синтетичні цеоліти, важкорозчинні солі гетерополікислот із загальною формулою:

Ме3 XY12 O40 n H2O (де Х - P, As, Sb, Si; Y - Mo, W; Me - метал), фероціаніди, фосфати, гідроксиди, сульфіди металів (цирконію, алюмінію, феруму, титану, нікелю та ін.).

До органічних природних йонообмінних матеріалів належать: кам'яне і буре вугілля, торф, целюлоза тощо.

Синтетичні органічні йоніти є високомолекулярними органічними сполуками, які спрямовано синтезовані, мають сталий склад і властивості, що відтворюються в результаті різних технологічних операцій. Для них характерна висока здатність і механічна міцність.

Оскільки процеси йонного обміну - це різновидність сорбцій них процесів, то необхідно розрізняти слідуючи види сорбції: адсорбція - поглинання речовини поверхнею поглинача; абсорбція - поглинання рідини усім об'ємом поглинача; капілярна конденсація - конденсація речовини в порах поглинача.

Поглинач називається сорбентом, речовина, що поглинається сорбатом.

В залежності від взаємодії виділяють слідуючи види сорбції: фізична - обумовлена силами міжмолекулярної взаємодії; хімічна (хемосорбція) - обумовлена утворенням нових хімічних сполук.

Процеси йонного обміну практичного повністю обумовлені хемосорбцією.

Усі тверді і практично не розчинені у воді речовини, і які здатні до йонного обміну в розчинах електролітів, є йонітами.

Йоніти, які містять кислотні активовані групи і здатні обмінюватися з розчином електроліту рухомими катіонами називаються катіонітами.

Йоніти, які містять основні активовані групи і здатні обмінюватися з розчином електроліту рухомими аніонами називаються аніонітами.

Йоніти, які містять кислотні та основні групи, називаються амфолітами.

Катіоніти залежно від тиску протийонів можуть перебувати у водневій (Н - формі), сольовій (натрієвій, кальцієвій) і змішаній формах. Аніоніти можуть бути в гідроксид ній (ОН - формі), сольовій (хлорид ній, сульфатній тощо) і змішаній формах. Амфоліти бувають у воднево-гідроксильній, воднево-сольовій, гідроксильно-сольовій і сольовій формах.

Сорбційна ємність йонітів залежить від рН розчину, з яким йоніт знаходиться у стані рівноваги. Для кожного йоніту існує оптимальний діапазон робочої величини рН.

Чинники, які впливають на величину обмінної ємності:

а) властивості йоніту: розмір зерен, здатність до утворення комплексів; ступінь поперечного зв'язку, рН - активних груп;

б) властивості електроліту: розміри протийонів, тип розчинника, здатність до гідратації протийонів;

в) температура розчину.

При виборі того чи іншого йоніту велику увагу приділяють вивченню залежності величини хемосорбції від концентрації розчиненої речовини.

Процес хемосорбції на йонітах може бути описаний за допомогою ізотерми (рис. 5.1.), яка характеризує залежність кількості речовини, що сорбувалася після встановлення рівноваги, від рівноважної концентрації розчину при постійній температурі.

В області низьких концентрацій кількість сорбованої речовини прямопропорційна концентрації йоніту (ділянка І рис. 5.1.)

При подальшому збільшенні концентрації кількість сорбованої речовини збільшується, але в меншій кількості (ділянка ІІ рис. 5.1.), і далі крива переходить в пряму, яка паралельна осі абсцис (ділянка ІІІ рис. 5.1.), що свідчить про поступове насичення поверхні йоніту.

В будь-якій точці побудованої ізотерми сорбції можна знайти величину питомої сорбції. Статичний метод визначення величини питомої сорбції заключається в знаходженні концентрації вихідного розчину (С0), потім струшують катіоніт масою m з розчином відомої концентрації на протязі деякого протягу часу, необхідного для встановлення сорбційної рівноваги. Визначають концентрацію речовини (С), яка залишилася не адсорбованою.

Питому сорбцію визначають за формулою:

, (5.1)

де V - об'єм розчину, л.

Для розрахунків існує декілька рівнянь, які описують ізотерму сорбції. Найбільш просте - рівняння Ленгмюра:

, (5.2)

де К, b - величини, які постійні для даної ізотерми;

С - концентрація речовини при досягненні рівноваги, моль/л.

Часто рівняння Ленгмюра не відповідає експериментально знайденим ізотермам сорбції, так як дуже спрощене.

Найбільш точно крива ізотерми сорбції (рис.5.1) описується рівнянням Фрейндліха:

, (5.3)

де б, k - сорбційні константи, які залежать від типу сорбента, концентрації сорбованої речовини, температури середовища, тривалості процесу і визначається експериментально у кожному конкретному випадку.

Визначивши вигляд ізотерми хемосорбції і відповідні коефіцієнти, можна розрахувати значення питомої сорбції речовини при будь-якій заданій рівноважній концентрації розчину та необхідну дозу іоніту для досягнення заданого ефекту видалення речовин з електролітів.

5.3 Реактиви, посуд та прилади

1. Смола КУ-2-8 в (Н+ - формі).

2. Смола КУ-1 (в Н+ - формі).

3. Розчин сульфату міді Cu SO4, з концентрацією 1 г/л (V = 100 мл).

4. Колби ємністю 250 мл - 10шт.

5. Дистильована вода (1л).

6. Піпетки, стакани.

7. Аналітичні терези.

8. Шпатель.

5.4 Методика експерименту та обробка результатів

В п'ять чистих колб ємністю 250 мл наливають по 100 мл розчину:

в першу - розчин з концентрацією Сu2+ 1, 0мг/л;

в другу - 5,0 мг/л;

в третю - 20 мг /л;

в четверту - 100мг/л;

в п'яту - 500мг/л.

Потім в кожну із колб висипають катіоніт КУ-2-8 масою 1г. Вмістиме колб перемішують на протязі 30 хвилин. По закінченню перемішування із розчинів відбирають проби і визначають концентрацію іонів Сu2+ в розчин (за методикою, описаною в [2] ).

Паралельно проводять аналогічний експеримент з використанням в якості катіоніта КУ-1 в Н+формі.

Результати експериментів заносять до табл. 5.1.

Таблиця 5.1 - Результати сорбції Сu2+ катіонітами КУ-2-8 та КУ- 1.

По даним табл. 5.1 розраховують кількість іонів Сu2+ в міліграмах, що сорбувалася на 1 г катіоні та за формулою (5.1)

На основі розрахункових даних будується ізотерма сорбції а = f (С). Перевіряється можливість описання ізотерми сорбції рівнянням Ленгмюра, для чого будують графік в координатах - (рис. 5.2)

1. Якщо точки попадають на пряму, то рівняння Ленгмюра можна застосувати.

Рисунок 5.2 - Ізотерма сорбції для рівняння Ленгмюра

2. Якщо точки на пряму не попадають, то ізотерма сорбції описується рівнянням Фрейндліха (5.2)

Прологарифмувавши рівняння (5.2), одержимо рівняння прямої в координатах lg a ­ lg С(рис. 5.3)