Определение порядка химической реакции окисления загрязняющих веществ в процессах очистки сточной воды (графический метод )

 

    Целью работы является получение представлений о процессах очистки, в основе которых лежат химические реакции, а также о способах определния порядка этих реакций.

     Одним из наиболее простых способов определения характера реакции является графический метод. Графический метод определения порядка и константы скорости реак­ции удобен, если реакции первого или второго порядка.

     При равных значениях начальной концентрации реагирующих веществ  скорость реакций первого и второго порядков соответственно будет отражена уравнениями

                  

                  

   Интегрируя эти уравнения, получаем

          (4.10)

              (4.11)

Анализ уравнений (4.10) и (4.11) показывает, что они линейны соответственно в координатах (In С; t) и (1/С; t). Поэтому, если экспериментальные данные, изображенные в координатах (In С; t),  укладываются на пря­мую, то исследуемая реакция является реакцией первого порядка. Если экспериментальные точки ло­жатся на прямую в координатах (1/С; t), то такая реакция имеет второй порядок.

Одновременно из выражений (4.10) и (4.11) можно получить формулы для определения костанты k скорости реакции

                                          (4.12)

 

                (4.13)

 

 

Порядок выполнения работы

Методические указания к работе предусматривают два варианта ее выполнения. В первом случае зависимость С = C(t) определяется опытным путем и работа выполняется в соответствии с указаниями пунктов 1-7. Во втором случае данные зависимости С = C(t) приводятся как известные в таблице исходных данных и работа выполняется в соответствии с пунктами 5-7.

1. Приготавливаются два равных объема воды с равными концент­рациями окисляемого вещества и вещества-окислителя в них.

2. Измеряется начальное содержание окислителя в объеме воды, содержащем вещество-окислитель.

3. Содержимое двух емкостей сливается в одну и начинается отсчет

времени реакции окисления в этой емкости.

4. Периодически измеряется содержание окислителя С в объеме реакции.

6. Результаты наблюдений, полученные экспериментально или как исходные данные (см. табл.4.6), за изменением концентрации С в зависимости от времени t записываются в таблицу результатов наблюдения, форма которой приведена ниже.

 

 

Таблица результатов наблюдения за реакцией окисления

 

N замера	Время t, сек	С, ммоль/л
1
….
i

6.   Рассчитываются значения In С и 1 /С, по которым строятся графики зависимостей InС = f(t)  и 1/С = f(t).

7.   По виду зависимостей   In С = f(t) и 1/С = f(t) определяют порядок реакции. В зависимости от ставшего известным порядка реакции и пользуясь выражением (4.12) или (4.13), определяют константу k скорости реакции окисления.

8. Все расчеты и оформление работы осуществляются в строгом соответствии с примером расчета и оформления работы, который приводится ниже.

Таблица 4.6

Данные о зависимости концентрации окислителя С от времени реакции t

Время t,       сек Вариант задания	50	100	200	400	600	800	1000
1	2	3	4	5	6	7	8
1	7,0	6,5	5,2	3,4	2,2	1,5	0,8

 

продолжение табл. 4.6

 

1	2	3	4	5	6	7	8
2	0,58	0,57	0,50	0,42	0,36	0,30	0,26
3	9,5	9,0	8,0	5,9	4,7	4,0	3,3
4	6,3	6,2	5,5	4,7	4,1	3,5	3,1
5	9,0	8,5	7,5	5,4	4,2	3,5	2,8
6	1,50	1,42	1,34	1,02	0,82	0,56	0,22
7	0,70	0,65	0,52	0,34	0,22	0,15	0,08
8	2,58	2,57	2,50	2,42	2,36	2,30	2,26
9	0,92	0,85	0,75	0,54	0,42	0,35	0,28
10	1,90	1,75	1,70	1,45	1,25	1,15	0,95
11	9,2	8,7	7,7	5,6	4,4	3,7	3,0
12	1,85	1,81	1,78	1,4	1,17	0,92	0,72
13	1,11	1,06	0,94	0,74	0,62	0,55	0,48
14	1,92	1,73	1,72	1,41	1,28	1,12	0,98
15	0,63	0,62	0,55	0,47	0,41	0,35	0,31
16	7,0	6,5	5,2	3,4	2,2	1,5	0,8
17	0,35	0,30	0,20	0,09	0,04	0,02	0,01
18	11,2	10,6	9,4	7,4	6,3	5,6	4,8
19	1,30	1,05	0,85	0,60	0,45	0,35	0,25
20	6,2	5,6	4,4	2,4	1,3	0,5	0,1
21	0,63	0,62	0,55	0,47	0,41	0,35	0,31
22	1,36	1,11	0,91	0,66	0,50	0,41	0,32
23	0,12	0,11	0,09	0,07	0,06	0,05	0,04
24	1,92	1,73	1,72	1,41	1,28	1,12	0,98

продолжение табл. 4.6

 

1	2	3	4	5	6	7	8
25	0,93	0,84	0,76	0,53	0,43	0,36	0,27
26	1,24	1,01	0,78	0,54	0,38	0,28	0,16
27	2,50	2,48	2,45	2,36	2,29	2,18	2,10
28	7,1	6,4	5,3	3,3	2,2	1,6	0,7
29	2,92	2,73	2,72	2,41	2,28	2,12	2,98
30	63,5	62,5	55,5	47,6	41,4	35,5	31,8
31	1,96	1,79	1,76	1,45	1,33	1,17	0,98
32	0,92	0,85	0,75	0,54	0,42	0,35	0,28

 

Пример расчета и оформления работы

1. Исходные данные для выполнения работы и приведены в нижеследующей таблице. Результаты расчета  параметров InС  и 1/С приведены в этой таблице.

N замера	Время t, сек	С, ммоль/л
1	50	0,98	-0,02	1,02
2	100	0,90	-0,11	1,11
3	200	0,84	-0,17	1,19
4	400	0,76	-0,27	1,32
5	600	0,68	-0,39	1,47
6	800	0,54	-0,62	1,85
7	1000	0,42	-0,87	2,38

 

2. графики зависимостей InС = f(t)  и 1/С = f(t)

InС

 

lnC₀      100 200     400      600     800    1000                         

                                                                                                             t, сек

-0,10                                     

-0,20

                                                                                     InС = f(t)

-0,40

-0,60

 1/С                                     

                             1/С = f(t)

2,00

 

 1,00      

                                                                                                                    t, сек

          100 200      400      600       800      1000

 

3. Выводы:

анализ зависимостей InС = f(t)  и 1/С = f(t) показывает, зависимость InС = f(t) в большей степени, чем зависимость 1/С = f(t), носит линейный характер. Следовательно, исследуемая реакция является реакцией первого порядка. Константа скорости реакции окисления можно определить, пользуясь уравнением (4.12)

При t = 400 сек, InС = - 0,39, =0,079  (по графику) константа скорости реакции   

k = (lnC ₀ - lnC): t =(0,079 - 0,27):400 =0,87·10 ^–3 л/ммоль·сек.

 

4.5. Исследование процесса нейтрализации технологической сточной воды

      Целью работы является освоение способов расчета и организации процессов нейтрализации сточной воды предприятия.

     Для очистки производственной (технологической) сточной воды от щелочей и кислот чащевсего применяется нейтрализация.

      Нейтрализация может быть осуществлена: 1) при смешивании щелочных и кислотных стоков, 2) добавлении к сточным водам приготовленного раствора нейтрализатора или 3) фильтровании через нейтрализирующие материалы.

     При нейтрализации стока путем смешивания взаимонейтрализующих сточных вод, как правило, в общем после смешивания стоке будет наблюдаться избыток одного из веществ - кислоты или щелочи. Поэтому, этот избыток требует последующей его нейтрализации.                   

     Определить, какое из веществ окажется в общем стоке в избытке можно по величине однеого из отношений

 

или          (4.14)

 

где В - концентрация щелочи в стоке, кг/м³; А - концентрация кислоты в сточной воде, кг/м³; q_В - удельный расход щелочи для нейтрализации стока, кг/кг (см. табл. 4.7);  - удельный расход кислоты, кг/кг. Удельные расходы кислоты   и щелочи q_В друг с другом связаны следующим образом

.

 

   Если первое из отношений (4.14) больше единицы, то в общем стоке будет наблюдаться избыток щелочи. Аналогично, при величине второго отношения больше единицы, в стоке будет избыток кислоты.

     Количество остаточной щелочи (или кислоты) будет равно

 

                                     (4.15)

                                       (4.16)

где  - нейтрализуемая часть щелочи;  - нейтра­лизуемая часть кислоты.

     При расчете нейтрализации путем смешивания стоков необходимо учи­тывать, что отношения (4.14) и формулы (4.15) и (4.16) применяются в том случае, когда смешиваются равные количества нейтрализуемых стоков. 

        При нейтрализации кислых сточных вод раствором щелочи-нейтрализатора количество щелочи, которое необходимо для нейтрализации, можно рассчитать по формуле

 

,       (4.17)

где b - расход щелочи-реагента, кг; k  - коэффициент запаса по расходу реагента,принимается равным k = 1,1 – 1,5; m - количество активной части реагента в товарном продукте, принимается равным m = 78 - 85 %; Q_А - количество нейтрализуемых кислых сточных вод, м³; 

Для нейтрализации щелочного стока количество кислоты-нейтрализатора определяется по  формуле

 

 ,              ( 4.18)

где а - расход кислоты, кг; Q_В - количество нейтрализуемых щелочных стоков.

      При нейтрализации кислого стока в вертикальном фильтре с загруз­кой из щелочного нейтрализирующего материала общая высота загрузки опреде­ляется по формуле

,      (4.19)

где Н - высота загрузки, м; k  - значение эмпирического коэффициента для доломита, принимается равным k = 0,62 – для щелковского доломита или k = 1,31 – для уральского доломита; n  - эмпирический коэффициент, принимается равным  n = 1,47; С_А - концентрация кислоты, г - экв/л (С_А = А, где А - концентрация кислоты в г/л (кг/м³);  = 0,0204 - для серной,   = 0,0277 - соляной,  = 0,0159 - азотной и  = 0,0167 - уксусной кислот; v -  скорость фильтрования, принимается равной  = 4-8 м/ч; d -  размер зерен загрузки, принимается равным d=2 - 6 мм.

Высоту h одного фильтра рекомендуется принимать не более  1,5-1,8 м, поэтому количество фильтров в технологической схеме определяется по формуле

                                                       (4.20)

Диаметр фильтра D рассчитывается по формуле

.          (4.21)

 

Порядок выполнения работы

 

1. Познакомиться с основными положениями выполняемой работы.

2. Записать исходные данные в соответствии с индивидуальным вариантом задания (см. табл. 4.8).

3. Выбрать вариант технологии нейтрализации стоков (см. рис. 4.6) в зависимости от соотношения Q_A и Q_B. Нарисовать принятую схему технологии нейтрализации.

4. Пользуясь выражениями (4.14) - (4.16), рассчитать процесс нейтрализации при смешивании стоков: определить характер стока после смешивания и остаточную концентрацию кислоты А _ост   или щелочи В _ост.

5.  Пользуясь выражениями (4.17) или (4.18), рассчитать процесс нейтрализации раствором соответствующего нейтарализатора: определить расход b (или а) реагента общий, а также расход реагента на 1 м³ сточной воды.

6. Пользуясь выражениями (4.19) – (4.21), рассчитать процесс нейтрализации сточной воды фильтрованием через нейтрализующие материалы: определить высоту фильтрующей загрузки Н, количество фильтров n _ф   и диаметр фильтра D.

4. Все расчеты и оформление работы осуществляются в строгом соответствии с примером расчета и оформления работы, который приводится ниже.

Таблица 4.7

Удельный расход щелочи (q_В , кг/кг) для полной нейтрализации кислоты

щелочь     Кислота	Известь негашеная	Известь гашеная	Сода кальцинированная	Сода каустическая
Серная	1,79	1,32	0,93	1,22
Соляная	1,30	0,99	0,69	0,91
Азотная	2,20	1,70	1,19	1,57
Уксусная	2,15	1,62	1,14	1,50

 

Таблица 4.8  

Данные для расчета процесса нейтрализации

№ пп	Варианты задания	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	QА, м^3	1,2	5,5	2,5	4,2	2,4	2,6	1,6	2,1	4,5	2,4
2	Кислота, содержащаяся в стоке	серная	азотная	соляная	уксусная	серная	азотная	соляная	уксусная	серная	соляная

 

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
3	А, кг/м^3 (г/л)	1,8	2,6	2,4	3,8	2,1	1,8	8,1	6,8	2,2	3,2
4	QВ, м^3	6,8	2,6	1,6	4,6	1,2	5,5	4,8	8,2	1,8	0,4
5	Щелочь, содержащаяся в стоке	НИ	Кл	Ка	ГИ	ГИ	НИ	Кл	Ка	Кл	ИГ
6	В, кг/м^3 (г/л)	1,7	2,6	1,8	5,8	2,1	2,8	4,2	8,6	1,6	2,1

 

продолжение табл. 4.8

 

№ пп	Варианты задания	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	QА, м^3	0,8	3,2	1,6	8,4	4,1	2,4	1,4	5,2	2,4	4,1
2	Кислота, содержащаяся в стоке	серная	соляная	серная	уксусная	уксусная	азотная	серная	азотная	соляная	уксусная
3	А, кг/м^3 (г/л)	3,8	3,6	2,1	3,2	2,3	2,9	6,9	2,6	2,2	3,6
4	QВ, м^3	1,2	3,6	0,8	5,4	3,6	3,8	7,8	2,2	1,8	5,4
5	Щелочь, содержащаяся в стоке	Ка	НИ	ГИ	НИ	Кл	Ка	НИ	Кл	Ка	ГИ

 

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
6	В, кг/м^3 (г/л)	2,4	3,2	1,9	4,6	1,8	2,5	1,2	2,6	1,6	3,2

 

 

продолжение табл. 4.8 

 

№ пп	Варианты задания	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	QА, м^3	2,3	4,2	2,8	4,0	2,6	2,1	2,6	4,1	3,5	5,4
2	Кислота, содержащаяся в стоке	Серная	Азотная	Соляная	Уксусная	Серная	Азотная	Соляная	Уксусная	Серная	Соляная
3	А, кг/м^3 (г/л)	1,8	4,6	2,6	3,8	2,4	2,8	6,2	6,8	4,2	4,2
4	QВ, м^3	5,8	2,4	1,4	4,8	1,1	5,3	5,8	8,2	0,8	2,4
5	Щелочь, содержащаяся в стоке	НИ	Кл	Ка	ГИ	ГИ	НИ	Кл	Ка	Кл	ИГ
6	В, кг/м^3 (г/л)	1,6	2,6	1,6	3,8	2,1	1,8	4,2	5,6	1,6	2,1

 

1 вариант технологии нейтрализации (Q_A > Q_B)

	кислый сток		щелочной сток

 

    Q_A ; A                                                                     Q_B  ; B

                                 Q ′_A =Q_B; A                          Q_B; B

нейтрализация при смешивании стоков

      Q″_A; A

							нейтрализация фильтрованием

 

                                                            (Q′_A + Q_B)= 2 Q_B; A _ост

        Q ′ _A + Q ″ _A = Q _A

                2 вариант технологии нейтрализации ( Q_A < Q_B)

щелочной сток

кислый сток

    Q_A ; A                                                                  Q_B  ; B

 

нейтрализация при смешивании стоков

нейтрализация раствором нейтрализатора

       Q_A; A                    Q ′_B = Q _A; B          Q″_B; B

 

 

нейтрализация фильтрованием

                                                                                                   Q′_B + Q″_B = Q _B

                                                                          

(Q _A + Q′ _B)=2 Q _A; A _ост

Рис. 4.6. Технологии нейтрализации производственных стоков

Пример расчета и оформления работы

Исходные данные:

Q_A = 5,6 м³; A = 2,6 г/ м³ - HNO3;

Q _B = 2,4 м³; B = 1,6 г/ м³ - кальцинированная сода.

Выбираем вариант технологии нейтрализации:

так как Q_A > Q_B, то принимается 1 вариант технологии нейтрализации (см. схему).   

 

	кислый сток		щелочной сток

 

    Q_A ; A                                                                      Q_B  ; B

нейтрализация при смешивании стоков

                                 Q ′_A; A                              Q_В′ = Q_B; B

 

      Q″_A; A

			нейтрализация фильтрованием

                                                           (Q′_A + Q_B); A _ост

Q′_A + Q″_A = Q _A ; А                                                                  

 

 

Расчет 1 этапа нейтрализации – при смешивании стоков:

смешивается весь объем щелочного стока Q_B  = 2,4 м³ с концентрацией щелочи B =1,6 г/ м³     с таким же количеством кислого стока, то есть   Q ′ _A = 2,4 м³ с концентрацией кислоты A= 2,6 г/ м³.

Отношение  . Значение q_B = 1,19 принято по табл. 4.7 для нейтрализации азотной кислоты раствором кальцинированной соды. Так как это отношение меньше единицы, то общий сток будет кислым. Остаточная концентрация кислоты составит                         

   = 2,6 – 2,02 = 0,58 г/ м³                     

где   = 0,84·2,4 = 2,02 г/ м³

Расчет 2 этапа нейтрализации – фильтрованием кислого стока объемом Q′_A + Q_B = 2,4 + 2,4= 4,8 м³ и концентрацией A _ост= 0,58 г/ м³

Высота фильтрующей загрузки

       

принимаем количество фильтров n_ф = 2 каждый высотой 3,30:2=1,65м;

диаметр фильтра   .

 Расчет 3 этапа нейтрализации – кислого стока раствором щелочи-нейтрализатора.

Объем нейтрализуемого стока составляет Q″_A = Q _A - Q′_A = 5,6 – 2,4 = 3,2 м³ с концентрацией кислоты А=2,6 г/ м³

Количество реагента-щелочи, которое необходимо для нейтрализации 3,2 м³ стока составляет         

,                

Для нейтрализации 1 м³ потребуется 4,64 кг нейтрализатора-щелочи – кальцинированной соды.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Экология водных объектов

1.1. Исследование загрязнения водоемов при сбросе сточной воды (метод Фролова-Родзиллера).......................................... 3 

1.2. Исследование загрязнения водоемов при сбросе сточной воды (по уравнению конвективно-диффузионного переноса).................... 12

1.3. Исследование отрицательного влияния предприятия на природные водные объекты................................................    18

1.4. Расчет предельно-допустимого сброса (ПДС) загрязняющих веществ в во­доем при сбросе сточной воды предприятия.................... 34

1.5. Исследование загрязнения водоемов при эксплуатации судовой энергетической установки .......................................... 39

2. Экология атмосферного воздуха

2.1. Исследование загрязнения атмосферы источниками выбросов предпри­ятия....................................................... 51

2.2. Исследование загрязнения атмосферы при эксплуатации судовой

энергетической установки.................................... 67

3. Экологический контроль за состоянием природной среды и инженерных объектов

3.1. Обработка результатов экологического контроля ............. 76

3.2. Анализ экспериментальных результатов экологического контроля при­родной среды и инженерных объектов  ......................... 85  

Технология и техника очистки воды

4.1. Исследование процесса очистки воды седиментацией ....... 103

4.2. Исследование работы адсорбционного фильтра ............. 114

4.3. Исследование процесса очистки воды при окислении загрязняющих веществ ..................................................... 121

4.4. Определение порядка химической реакции окисления загрязняющих ве­ществ в процессах очистки сточной воды (графический метод)..... 130 

4.5. Исследование процесса нейтрализации производственных стоков.. 137

 

 

РЕШНЯК Валерий Иванович

ЭКОЛОГИЯ

 

Практикум

 

 

    

 

[R1]