Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 3 Uzdatnianie wody

Transkrypt

1 Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii Zakład Dydaktyczny Technologii Chemicznej Pracownia Technologii Adam Myśliński Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 3 Uzdatnianie wody Rok Akademicki 2013/2014 Materiały teoretyczne do ćwiczenia można znaleźć pod:

2

3 Wstęp. Ćwiczenie składa się z dwu równocześnie wykonywanych działań: Prowadzenia procesu technologicznego i wykonywaniu analiz. Tabela zadań studenta podczas wykonywania ćwiczenia nr 3 Główne operacje technologiczne 1. Logowanie 2. Regeneracja kationitu 3. Odmywanie kationitu 4. Regeneracja anionitu 5. Odmywanie anionitu 6. Neutralizacja cieczy odpadowych 7. Sorpcja i wymiana jonowa Analizy miareczkowe 1. Oznaczanie miana roztw. KMnO 4 2. Oznaczanie miana roztw. EDTA 3. Analiza utlenialności wody nieuzdatnionej 4. Analiza zawartości jonów Ca+2 w wodzie nieuzdat. 5. Analiza utlenialności wody po sorpcji 6. Analiza zawartości jonów Ca+2 w wodzie zdejonizowanej. 7. Próba Clarka Analizy instrumentalne 1. Konduktometria 1 woda nieuzdatniona 2. ph-metria ścieków 3. Konduktometria 2 - woda zdejonizowana Obliczenia 1. Wprowadzanie danych do programu obliczeniowego 2. Wyznaczanie zdolności jonowymiennej roboczej na podstawie uzyskanych danych przewodnictwa wody zdejonizowanej w funkcji jej objętości (zadanie domowe) Na wstępie należy zalogować się do komputera, co jest równoznaczne z uruchomieniem procesu technologicznego. Po wpisaniu do komputera daty, danych personalnych osób ćwiczących, zadaniu parametrów procesu (szybkości tłoczenia wody przez złoża, rodzaju surowca itp.) następuje wydruk nagłówka protokołu ćwiczenia, a po nim - w miarę postępu prac - protokół jest uzupełniany samoczynnie o wyniki pomiarów, informacje o poprawności działania aparatury, błędach itd. Na ekranie monitora pojawiają się szczegółowe komunikaty i polecenia, które należy wykonywać. Komunikaty powtarzane są również przez syntezer mowy, co uwalnia ćwiczących od stałego śledzenia monitora n.p. w czasie wykonywania analiz. W końcowej fazie ćwiczenia następuje wpisanie przez klawiaturę wyników analiz miareczkowych, samoczynne ich przeliczenie i wydruk wyników.

4 Proces technologiczny Schemat instalacji

5 Regeneracja jonitów i odmywanie nadmiaru reagentów Pierwszą operacją, jaką należy wykonać jest regeneracja jonitów. Jonity pracują w cyklu wodorowo - wodorotlenowym. Do regeneracji kationitu używa się 5% roztworu kwasu solnego, a do anionitu 5% roztworu wodorotlenku sodu. Regeneracja polega na przetłaczaniu odpowiednich roztworów przez złoża jonitów znajdujących się w kolumnach. Po ustawieniu odpowiednich zaworów roztwory ze zbiorników tłoczy pompa perystaltyczna. Eluat kontrolowany jest konduktometrem. Pojawienie się w eluacie mocnego elektrolitu, jakim są roztwory regenerujące, świadczy o zakończeniu procesu regeneracji. Następnie należy odmywać nadmiar roztworów regenerujących pozostających w złożu za pomocą podgrzanej wody destylowanej. Wodę do przemywania tłoczy się ze zbiornika tą samą pompą, co roztwory regenerujące. Różnica polega na odpowiednim ustawieniu zaworów łączących. O zakończeniu odmywania świadczy obojętny odczyn eluatu i zanik przewodnictwa elektrycznego. Konduktometr umożliwia dokładną ocenę tego stanu i przesyła informację do komputera. Komputer zatrzymuje operację gdy przewodnictwo eluatu osiągnie wartość ok. 5 µs/cm. Szczegółowe instrukcję znajdują się w oprogramowaniu. Komputer wyświetla je na ekranie monitora. Przed każdą operacją technologiczną syntezer mowy informuje wykonujących o konieczności wykonania nowych poleceń. Neutralizacja roztworów odpadowych Roztwory regenerujące i płuczące, kwaśne i zasadowe są neutralizowane w neutralizatorze. Ich odczyn jest kontrolowany za pomocą pehametru. Komputer przypomina ćwiczącemu o okresowych odczytach wartości ph ścieków. Kiedy ph osiąga wartość 6-8, poleca zrzut ścieków ( 2-5% roztwór NaCl) do kanalizacji. Uzdatnianie wody Uzdatnianą wodę pobieraną ze zbiornika należy oczyścić przetłaczając ją przez kolumnę wypełnioną węglem aktywnym. Przed oczyszczeniem i po jego wykonaniu pobrać próbki do oznaczania parametru ChZT. Dokładny sposób postępowania podawany jest na monitorze komputera. Schemat prac analitycznych przedstawia rys. 2. Następnie oczyszczoną wodę należy skierować do kolumny kationitowej, a stąd do kolumny anionitowej. Eluat wypływający z kolumny anionitowej przepływa do czujnika konduktometrycznego i odbieralników. Z odbieralników należy pobierać próbki do oznaczania twardości szczątkowej. Jednocześnie należy prowadzić pomiary przewodności elektrycznej wody uzdatnionej w funkcji jej objętości. Również i tu komputer sygnalizuje ćwiczącemu moment kolejnego pomiaru, a ćwiczący wprowadza wynik za pomocą klawiatury. Wzrost przewodnictwa wskazuje na zużycie złoża jonitowego. Pozwoli to na późniejsze wyznaczenie roboczej zdolności wymiennej kolumny. Przepisy analityczne ponumerowane zgodnie są schematem prac analitycznych. Przesuwając się od góry ku dołowi schematu ćwiczący napotyka obiekty symbolizujące prace analityczne, które należy wykonać.

6 Prace analityczne Rys. 2. Schemat prac analitycznych

7 Przepisy analityczne opracowane w wersjach uproszczonych na podstawie Polskich Norm PN-85/045578/02 (ChZT) - odpow. ISO i PN-91/C-04551/01 (oznaczanie wapnia). Przepis 1 - Oznaczanie miana roztworu KMnO 4 1. Do dwóch kolb stożkowych o pojemności 250 lub 300 cm 3 odmierzyć pipetą po 100,0 cm 3 wody destylowanej, a następnie. 2. Odmierzyć biuretą po 10,0 cm 3 0,0125 N tj. 0,0625 mol/dm 3 roztworu KMnO 4 3. Przenieść kolby pod wyciąg i 4. Odmierzyć cylindrem po 10 cm 3 H 2 SO 4 (1 cz obj. kwasu + 3 cz. obj. wody dest. (kwas znajduje się pod wyciągiem) 5. Zawartość kolb wymieszać, wstawić do wrzącej łaźni wodnej i ogrzewać przez 30 minut. 6. Po wyjęciu kolb z łaźni przenieść kolby na stół obok i pipetą automatyczną odpipetować natychmiast po 10,0 cm 3 0,0125 N tj. 0,025 mol/dm 3 roztworu (COONa) 2 7. Zamieszać i gorącą zawartość kolb miareczkować KMnO 4, aż do powstania bardzo słabo różowego zabarwienia utrzymującego się przez 1-2 minuty, co wskazuje na punkt końcowy miareczkowania. Zapisać wyniki. 8. Do kolb ponownie odpipetować po 10,0 cm 3 0,0125 N t.j. 0,025 mol/dm 3 roztworu (COONa) 2 i ponownie miareczkować do powstania bardzo słabo różowego zabarwienia utrzymującego się przez 1-2 minuty. 9. Objętości roztworu KMnO 4 zapisać do arkusza wyników. Wyliczyć średnią arytmetyczną z dwóch ostatnich wyników. Przepis 2 - Oznaczanie miana 0.01 mol roztworu Na 2 [EDTA] 1. Do dwóch kolb stożkowych o pojemności cm 3 odpipetować po 10,0 cm 3 0,01 mol/dm3 roztworu CaCl 2 (oznaczony na butelce jako Ca +2 0,40 mg/cm 3 ) 2. Do roztworów dodać: a) 100 cm 3 wody destylowanej (odmierzać cylindrem) b) 3 cm 3 24% roztworu KOH (odmierzać cylindrem) c) ~200 mg kalcesu (wskaźnik) - tj. 1 łopatkę - szpatułkę). Zawartość kolby mieszać do całkowitego rozpuszczenia wskaźnika 3. Miareczkować roztworem Na 2 [EDTA] do zmiany barwy z różowej na fioletową. Nadmiar titranta powoduje zmianę barwy na niebieską i wskazuje na przemiareczkowanie. 4. Wyniki zanotować w arkuszu wyników, wyliczyć średnią arytmetyczną.

8 Przepis 3 - Oznaczanie utlenialności wody nieoczyszczonej i oczyszczonej 1. Do dwóch kolb stożkowych o pojemności cm 3 odmierzyć pipetą (woda nieczyszczona) lub biuretą (woda po operacji sorpcji) po 100,0 cm 3 wody oznaczanej. 2a. Do wody odmierzyć biuretą: 10,0 cm 3 0,0125 N t.j. 0,0625 mol/dm 3 roztworu KMnO 4 2b. Kolby przenieść pod wyciąg i odmierzając cylindrem dodać 10 cm 3 znajdującego się tam H 2 SO 4 3. Zawartość kolb wymieszać, wstawić do wrzącej łaźni wodnej i ogrzewać przez 30 minut. 4. Po wyjęciu kolb z łaźni przenieść kolby na stół obok i natychmiast odpipetować do nich po 10.0 cm 3 0,0125 N t.j. 0,025 mol/dm 3 roztworu (COONa) 2 5. Zamieszać i gorącą zawartość miareczkować roztworem KMnO 4 aż do powstania słabo różowego zabarwienia utrzymującego się przez 1-2 minuty. 4. Zapisać objętość roztworu KMnO 4 do arkusza wyników. Zużycie roztworu KMnO 4 powinno wynosić od 2 do 8 cm 3. O ile warunek ten nie jest spełniony, oznaczenie powtórzyć stosując próbkę o odpowiednio skorygowanym stężeniu. 5. Obliczyć średnią arytmetyczną i wpisać do arkusza wyników. Przepis 4 - Oznaczanie jonów Ca +2 Przygotowanie próbek 1. Dwie próbki wody po 100,0 cm 3 odmierzone pipetą z cylindra Nr 2 umiecić w kolbach Erlenmeyera o pojemności cm 3 i zakwasić kilkoma kroplami kwasu azotowego do ph 2 wobec papierka wskaźnikowego. W przypadku Analizy 2 (woda po demineralizacji pobierana z zaworu Z10) wody nie zakwaszać. 2. Do próbki : a) odmierzyć cylindrem ok. 20 cm 3 trietanoloaminy w celu zamaskowania jonów żelaza, glinu i manganu. W przypadku Analizy 2 ten podpunkt pominąć. b) odmierzyć pipetą wielomiarową ok. 3 cm 3 24% roztworu KOH. c) odmierzyć łopatką ok. ~200 mg kalcesu (jedna łopatka - szpatułka). 3. Próbkę wymieszać do całkowitego rozpuszczenia kalcesu. 4. Próbkę miareczkować od razu roztworem Na 2 [EDTA] do zmiany barwy z różowej na fioletową. Nadmiar titranta powoduje zmianę barwy na niebieską i wskazuje na przemiareczkowanie. 5. Za wynik końcowy oznaczenia przyjąć średnią arytmetyczną dwóch oznaczeń różniących się nie więcej niż 5% wyniku mniejszego. 6. Wynik wpisać do arkusza wyników.

9 Wydział Chemii UW, Pracownia Technologii Chemicznej ĆWICZENIE 3 - UZDATNIANIE WODY ARKUSZ WYNIKÓW ANALIZ Ćwiczenie wykonali: Uzdatnianiu poddawano wodę Nr... Wyniki miareczkowania: L.P. ChZT Zawartość Ca Miano roztworów 2. Przed oczyszcz. 3. Po oczyszcz. cm n KMnO 4 cm n KMnO 4 V śr cm m. EDTA cm m. EDTA V śr Warszawa, dnia r. Godzina rozpoczęcia zajęć:... Godzina zakończenia zajęć:... Podpisy wykonujących ćwiczenie:

10 Pomiar przewodnictwa wody zdemineralizowanej W czasie trwania demineralizacji komputer wzywa do okresowych pomiarów przewodnictwa (konduktometr CC-411). Wyniki pomiarów należy wprowadzać poprzez klawiaturę, a w Protokole Ćwiczenia pojawia się wydruk zależności konduktancji od objętości wody zdemineralizowanej. Pomiar objętości wody dokonywany jest samoczynnie przez układ pompa tłocząca II - komputer. Wydruk jest źródłem danych do sporządzenia wykresu tej zależności w układzie współrzędnych prostokątnych. Należy wykonać go za pomocą n.p. programu Excel. Dane z wydruku trzeba przepisać do arkusza kalkulacyjnego zaokrąglając liczby do pierwszego miejsca po przecinku. Wykres powyżej przedstawia przykładowy przebieg zmian konduktancji w funkcji objętości wody zdemineralizowanej. Wykorzystując go należy wyznaczyć roboczą zdolność wymienną układu kolumn jonitowych.

11 Obliczenia i opis ćwiczenia czynności wykonywane po pracowni Na krzywej przedstawionej na wykresie można wyodrębnić dwa odcinki: plateau, kiedy jonity są w pełni aktywne, a przewodnictwo wody zdemineralizowanej utrzymuje się na stałym, niskim poziomie (rzędu kilku µs/cm) i szybkiego wzrostu przewodnictwa ilustrujący zwiększanie stężenia jonów w eluacie. Sygnalizuje on stan wyczerpywania się jonitów. Pomiędzy nimi znajduje się obszar przejściowy. Jeśli przyjąć założenie, że szybkość przepływu wody przez kolumny zdąża do zera V ==> 0, to przebieg krzywej miałby kształt dwóch odcinków z jednym punktem wspólnym, punktem przecięcia. W praktyce, gdy krzywa przyjmuje kształt jak na wykresie można również wyznaczyć ten punkt. W tym celu należy poprowadzić dwie proste (program Excel nazywa to liniami trendu ) dla wyróżnionych wyżej odcinków krzywej, przedłużyć je aż do przecięcia, a współrzędną X punktu ich przecięcia uznać za objętość wody o znanej twardości początkowej odpowiadającą roboczej zdolności wymiennej. Więcej o regresji liniowej można poczytać np. tu: trendu. Program Excel umożliwia przeprowadzenie tych operacji i wyznaczenie równań dla prostych w formie y=ax+b. Ponieważ wartość obu funkcji w punkcie przecięcia jest sobie równa, można wyznaczyć wartość x z układu tych równań. W przypadku użycia programu MSExcel dane pomiarowe należy wstępnie podzielić na dwie części odpowiadające odcinkowi plateau i odcinkowi szybko rosnącemu, a następnie wygenerować linie trendu dla każdego z nich. W końcu wyświetlić liniowe równania opisujące linie Objętość x pomnożona przez początkowe stężenie jonów w wodzie nieuzdatnionej i przez % skuteczności demineralizacji daje wynik w postaci ich masy, a podzielona przez masę użytych jonitów jednostkową zdolność wymienną. W naszym przypadku uwzględniamy masę kationitu, gdyż analizujemy kationy Ca 2+. W bardziej uniwersalny sposób zdolność wymienną można wyrazić w [mval/g] dzieląc powyższy wynik przez (40,08 - masa molowa jonu podzielona przez 2 - wartościowość wapnia). Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że rzeczywista zdolność robocza jest większa, gdyż oprócz kationów wapnia w wodzie zawarte są kationy magnezu, sodu, żelaza, manganu itd. Robocza zdolność wymienna pozwala na określenie objętości wody o znanej zawartości jonów, którą można zdejonizować bez pogorszenia jakości uzyskiwanego produktu, a następnie rozpocząć operacje pomocnicze: regenerację i odmywanie nadmiaru roztworów regenerujących. Aby wyliczyć zdolność jonowymienną roboczą, można użyć arkusz MS Excel dostępny pod: i odczytać wynik. Przeglądarki oparte o system Mozilla (Firefox, Netscape) nie wyświetlają prawidłowo tego okna. Uruchamiają oddzielnie arkusz kalkulacyjny MS Excel.

12 Opis powinien rozpoczynać się nagłówkiem wg poniższego wzoru: Sprawozdanie z ćwiczenia nr. 3 Asystent prowadzący ćwiczenie: mgr Adam Myśliński Wykonujący ćwiczenie: Data wykonania ćwiczenia Data oddania sprawozdania Nr grupy Tytuł ćwiczenia: Uwagi Asystenta Uzdatnianie wody Treść opisu powinna zawierać: 1. Cel ćwiczenia. 2. Przestudiowana literatura dotycząca ćwiczenia. 3. Teoretyczne podstawy eksperymentu. 4. Opis eksperymentu zawierający: a) blokowy (uproszczony) schemat aparatury. Schemat należy wykonać własnoręcznie (nie kopiować rysunku z niniejszej instrukcji) korzystając z dowolnego programu graficznego (np. MS Paint, Paintbrush), lub przycisku "Rysowanie" w pasku narzędzi edytora tekstu MSWord. W ostateczności starannie narysować na arkuszu papieru w kratkę. Schemat powinien przedstawiać podstawowe elementy instalacji w postaci prostokątów lub kwadratów połączone przewodami hydraulicznymi - linie ciągłe i elektrycznymi - linie przerywane. Można je także wyróżnić kolorem. b) listę reagentów i odczynników, c) wykonywane czynności. d) obserwacje i wyniki pomiarów. 5. Opracowanie wyników: a) równania reakcji, b) rachunkowe opracowanie otrzymanych wyników. W ich skład wchodzą obliczenia twardości wapniowej, parametru ChZT, procentowe zmiany tych wartości po procesie uzdatniania. Zamieścić wykres zależności konduktancji wody od objętości wody zdejonizowanej wraz z graficzną interpretacją krzywej służącą do wyznaczanie zdolności jonowymiennej roboczej kationitu c) źródła błędów, 6) Dyskusja otrzymanych wyników. 7) Wnioski ( między innymi, czy cel ćwiczenia został osiągnięty).. Opis należy dostarczyć do prowadzącego ćwiczenie nie później niż dwa tygodnie od dnia wykonania ćwiczenia. Forma opisu - plik w formacie MS Office Word 2003 (*.doc lub *.rtf lub *.docx) należy nadesłać jako załącznik pod adresem: admys@chem.uw.edu.pl