WPŁYW STĘŻENIA WODOROTLENKU SODOWEGO NA ROZPUSZCZALNOŚĆ TLENU W ROZTWORACH WODNYCH

Podobne dokumenty
BADANIA ABSORPCJI GAZÓW W UKŁADACH DWUFAZOWYCH CIEKŁYCH

KINETYKA REAKCJI CO 2 Z WYBRANYMI TYPAMI AMIN W ROZTWORACH WODNYCH

ABSORPCJA I DESORPCJA DITLENKU WĘGLA Z PRZESYCONYCH ROZTWORÓW WĘGLANU PROPYLENU

ZADANIE 1 W temperaturze 700 K gazowa mieszanina dwutlenku węgla i wodoru reaguje z wytworzeniem pary wodnej i tlenku węgla. Stała równowagi reakcji

Wykład 2. Anna Ptaszek. 7 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 2. Anna Ptaszek 1 / 1

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Odwracalność przemiany chemicznej

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyznaczanie ciepła właściwego cieczy metodą kalorymetryczną

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

c. Oblicz wydajność reakcji rozkładu 200 g nitrogliceryny, jeśli otrzymano w niej 6,55 g tlenu.

Modelowanie w ochronie środowiska

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

a. Dobierz współczynniki w powyższym schemacie tak, aby stał się równaniem reakcji chemicznej.

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

Zadanie ChemCad - Batch Reaktor

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

Fazy i ich przemiany

KATEDRA INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH LABORATORIUM INŻYNIERII CHEMICZNEJ, PROCESOWEJ I BIOPROCESOWEJ

Ćwiczenia 12 Zadanie 12.4D

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 2, zadanie nr 1 1

Fazy i ich przemiany

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Zagadnienia do pracy klasowej: Kinetyka, równowaga, termochemia, chemia roztworów wodnych

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

Zadania dodatkowe z konwersatorium z podstaw chemii Semestr letni, rok akademicki 2012/2013

XIII Konkurs Chemiczny dla Uczniów Szkół Średnich Etap II rozwiązania zadań

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

Inżynieria procesów przetwórstwa węgla, zima 15/16

Fazy i ich przemiany

Wykład 5. przemysłu spożywczego- wykład 5

K05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

THERMODYNAMICS OF OXYGEN IN DILUTE LIQUID SILVER-TELLURIUM ALLOYS

Zadanie 2. (1 pkt) Uzupełnij tabelę, wpisując wzory sumaryczne tlenków w odpowiednie kolumny. CrO CO 2 Fe 2 O 3 BaO SO 3 NO Cu 2 O

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

Stechiometria. Nauka o ilościach materiałów zużywanych i otrzymywanych w reakcjach chemicznych

Obliczenia chemiczne. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Destylacja z parą wodną

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu - reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne, szybkość reakcji chemicznych

a) 1 mol b) 0,5 mola c) 1,7 mola d) potrzebna jest znajomość objętości zbiornika, aby można było przeprowadzić obliczenia

Kryteria oceniania z chemii kl VII

ABSORPCYJNE OCZYSZCZANIE GAZÓW ODLOTOWYCH Z TLENKÓW AZOTU Instrukcja wykonania ćwiczenia 23

Prof. dr hab. inż. Andrzej K. Biń Warszawa, ul. Sozopolska 1 m. 102, Warszawa Politechnika Warszawska

Chemia - laboratorium

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Konkurs Chemiczny dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych rok szkolny 2013/2014

1. Stechiometria 1.1. Obliczenia składu substancji na podstawie wzoru

ĆWICZENIE 3 CIEPŁO ROZPUSZCZANIA I NEUTRALIZACJI

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego

RÓWNOWAGI REAKCJI KOMPLEKSOWANIA

WYKŁAD 7. Diagramy fazowe Dwuskładnikowe układy doskonałe

... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

STECHIOMETRIA SPALANIA

Seminarium 4 Obliczenia z wykorzystaniem przekształcania wzorów fizykochemicznych

CHEMIA. Wymagania szczegółowe. Wymagania ogólne

Stechiometria. Nauka o ilościach materiałów zużywanych i otrzymywanych w reakcjach chemicznych

A4.04 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Wykład 10 Równowaga chemiczna

Stechiometria. Pojęcie mola. Liczba Avogadry. Liczba atomów zawarta w 12 g czystego 12 C. 1 mol =

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

3p - za poprawne obliczenie stężenia procentowego i molowego; 2p - za poprawne obliczenie jednej wymaganej wartości;

Wpływ wybranych czynników na efektywność procesu

KOROZJA. Korozja kontaktowa z depolaryzacja tlenową 1

Prawa gazowe- Tomasz Żabierek

Podstawy teoretyczne technologii chemicznej / Józef Szarawara, Jerzy Piotrowski. Warszawa, Spis treści. Przedmowa 13

Spis treści. Wstęp... 9

NIEPEWNOŚĆ POMIARÓW POZIOMU MOCY AKUSTYCZNEJ WEDŁUG ZNOWELIZOWANEJ SERII NORM PN-EN ISO 3740

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

2.1. Charakterystyka badanego sorbentu oraz ekstrahentów

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

WYZNACZANIE STAŁEJ DYSOCJACJI SŁABEGO KWASU ORGANICZNEGO

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

VII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2014/2015

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Zadanie 1. [ 3 pkt.] Uzupełnij zdania, wpisując brakującą informację z odpowiednimi jednostkami.

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

WYKAZ NAJWAŻNIEJSZYCH SYMBOLI

3. Badanie kinetyki enzymów

Tytuł pracy w języku angielskim: Microstructural characterization of Ag/X/Ag (X = Sn, In) joints obtained as the effect of diffusion soledering.

BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA WNIKANIA MASY W ZRASZANEJ KOLUMNIE WYPEŁNIONEJ

LXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA

RÓWNOWAŻNIKI W REAKCJACH UTLENIAJĄCO- REDUKCYJNYCH

Badanie właściwości związków powierzchniowo czynnych

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

WYKŁAD 3 TERMOCHEMIA

X Konkurs Chemii Nieorganicznej i Ogólnej rok szkolny 2011/12

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Transkrypt:

INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA 22(3):717-722 (2001) HANNA KIERZKOWSKA-PAWLAK, GRZEGORZ WIELGOSIŃSKI WPŁYW STĘŻENIA WODOROTLENKU SODOWEGO NA ROZPUSZCZALNOŚĆ TLENU W ROZTWORACH WODNYCH Politechnika Łódzka, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź Wyznaczono doświadczalnie rozpuszczalność tlenu w wodnych roztworach NaOH w zakresie stężeń 0,5-1,5 kmol/m 3 i temperatury 20-60 C. Badania prowadzono w kalorymetrze reakcyjnym CPA (Chemi- Sens, Szwecja). Uzyskane dane wskazują na wzrost stałych Henry'ego ze wzrostem temperatury i stężenia roztworu. The solubilities were measured for oxygen in aqueous solutions of NaOH over a concentration range of 0,5-1,5 kmol/m 3 and temperature range of 20-60 C. The experiments were carried out in the CPA reaction calorimeter (ChemiSens, Sweden). Analysis of the received data showed that Henry's constants increase with temperature and solution concentration. 1. WPROWADZENIE Przedstawione w tej pracy wyniki stanowią część programu badawczego związanego z opracowaniem nowej technologii otrzymywania kwasu 4,4 -diaminostilbeno- 2,2 -disulfonowego [1, 2]. Jest on cennym półproduktem wykorzystywanym w syntezie barwników stilbenowych (zastępujących barwniki benzydynowe) oraz produktów rozjaśniających optycznie - helioforów. Proces technologiczny otrzymywania kwasu 4,4 -diaminostilbeno-2,2 -disulfonowego składa się z dwóch etapów utleniania kwasu p-nitrotoluenosulfonowego oraz redukcji otrzymanego kwasu 4,4 - dinitrostilbeno-2,2 -disulfonowego do kwasu 4,4 -diaminostilbeno-2,2 - disulfonowego. Reakcja utleniania kwasu p-nitrotoluenosulfonowego prowadzona jest za pomocą powietrza w alkalicznych roztworach wodnych. Jednym z parametrów niezbędnych do wyznaczenia kinetyki tej reakcji jest rozpuszczalność tlenu w mieszaninie reakcyjnej. W dostępnej literaturze istnieje wiele danych określających rozpuszczalność tlenu w wodzie, brak jest natomiast danych dotyczących rozpuszczalności

2 H. KIERZKOWSKA-PAWLAK, G. WIELGOSIŃSKI tlenu w roztworach NaOH. Niemożliwe jest też oszacowanie wartości stałych Henry ego ze wzoru Setchenowa [3], uwzględniającego wpływ obecności jonów w roztworze na rozpuszczalność gazu. Brakuje bowiem pełnych danych dotyczących wartości udziału tlenu (współczynnik h G ) w funkcji temperatury. 2. APARATURA I WYKONANIE POMIARÓW Pomiary absorpcji O 2 w wodnych roztworach NaOH wykonano w kalorymetrze reakcyjnym CPA (Chemical Process Analyzer, ChemiSens, Szwecja). Główną jego częścią jest izotermiczny reaktor zbiornikowy o pojemności nominalnej 250 cm 3, wyposażony w mieszadło łopatkowe lub śmigłowe. Układ pomiarowy urządzenia pozwala na ciągłą rejestrację szybkości wydzielania się ciepła podczas procesu, temperatury, ciśnienia i ph. do próżni u P CONTROL UNIT RS T reaktor CPA O 2 q TERMOSTAT Rys. 1. Schemat aparatury pomiarowej Fig. 1. The scheme of experimental set-up Zastosowana metoda pomiarowa polegała na określeniu ilości rozpuszczonego gazu na podstawie rejestrowanej w sposób ciągły zmiany ciśnienia w trakcie izochoryczno-izotermicznej absorpcji gazu w cieczy w układzie o działaniu okresowym. Ta technika była również stosowana do wyznaczania rozpuszczalności gazów przez innych autorów [4]. Schemat układu pomiarowego stosowanego do badań przedstawiono na rys. 1. Przed rozpoczęciem pomiaru, w reaktorze umieszczano określoną ilość roztworu i odgazowywano przez przyłączenie próżni. W tym samym czasie układ doprowadzano do odpowiedniej temperatury. Następnie przy wyłączonym mieszadle do przestrzeni reaktora nie wypełnionej cieczą wprowadzano tlen pod ciśnieniem p A,

Wpływ stężenia wodorotlenku sodowego na rozpuszczalność tlenu 3 po czym inicjowano proces absorpcji przez włączenie mieszadła. Układ pomiarowy kalorymetru rejestrował w sposób ciągły całkowite ciśnienie gazu nad roztworem, szybkość wydzielania się ciepła i temperaturę. Proces prowadzono do ustalenia się stałej wartości ciśnienia równowagi p A *. Badania prowadzono w temperaturze 20, 40 i 60 C dla trzech stężeń wodorotlenku sodowego: 0,5, 1 i 1,5 kmol/m 3. Proces realizowano pod ciśnieniem z zakresu 0,2 0,3 MPa. Każdy pomiar powtarzano trzykrotnie. W celu sprawdzenia poprawności i dokładności stosowanej metody, dodatkowo wykonano serię pomiarów absorpcji O 2 w czystej wodzie. Otrzymane stałe Henry ego dla wody porównano z wartościami podanymi w literaturze. 3. METODA OPRACOWANIA WYNIKÓW POMIARÓW Rozpuszczalność gazu w cieczy wyrażono za pomocą stałej Henry ego ( He = p * A /c AL ). W rozpatrywanym przypadku ilość tlenu zaabsorbowanego w roztworze jest równa ubytkowi tlenu w fazie gazowej AL o AL o AG AG n - n = n - n (1) W warunkach doświadczenia początkowe stężenie O 2 w roztworze jest równe zero (czyli n o AL = 0 ), gdyż przed rozpoczęciem pomiaru ciecz dokładnie odgazowywano. Zmiana liczby moli składnika absorpcyjnie czynnego w fazie gazowej nag wynika z zależności o VG VG nag nag nag (2) o vg vg gdzie V G oznacza objętość fazy gazowej w reaktorze, v G - objętość molową O 2. Zapisując równanie (2) w tej postaci przyjęto, że objętość fazy ciekłej, a tym samym gazowej, która była obliczana jako dopełnienie do całkowitej objętości reaktora równej 270 cm 3, nie zmieniła się wskutek absorpcji. Założenie to wydaje się być uzasadnione słabą rozpuszczalnością tlenu w wodnych roztworach wodorotlenków. Do obliczania objętości molowej gazu korzystano z półempirycznego równania stanu Beatty-Bridgemana, które dla wygody dalszych obliczeń zapisano w następującej postaci: n V G 2 AG A1 pa A2 pa (3) vg Występujące w równaniu współczynniki A 1 i A 2, obliczone na podstawie rozwiązania równania stanu Beatty-Bridgemana dla badanego zakresu ciśnień i temperatur, zestawiono w tabeli 1. Ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla p A obliczano jako różni-

4 H. KIERZKOWSKA-PAWLAK, G. WIELGOSIŃSKI cę mierzonego całkowitego ciśnienia i ciśnienia cząstkowego pary wodnej w danej temperaturze. Łącząc równania (2) i (3) otrzymuje się ostatecznie zależność pozwalającą na obliczenie stałej Henry ego w następującej postaci * * p A VL p A VL He (4) n o * o 2 * 2 AG A ( p p ) A ( p p ) 1 A A 2 A A Tabela 1. Współczynniki A 1, A 2 w równaniu (3) dla objętości gazu V G =100 cm 3 Table 1. The coefficients A 1, A 2 in equation (3) for the gas volume V G =100 cm 3 T [ C] A 1 10 5 A 2 10 7 20 3,843 1,909 40 3,612 1,195 60 3,407 0,682 3. WYNIKI POMIARÓW Wyniki pomiarów rozpuszczalności tlenu, wyrażonej za pomocą stałej Henry ego, w wodzie i roztworach wodorotlenku sodowego przedstawiono na rys. 2. 200 180 160 20 o C 40 o C 60 o C He [ MPa m 3 /kmol ] 140 120 100 80 60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 woda c BL [ kmol/m 3 ] Rys. 2. Rozpuszczalność tlenu w wodzie i roztworach NaOH Fig. 2. Solubility of oxygen in water and aqueous solutions of NaOH

Wpływ stężenia wodorotlenku sodowego na rozpuszczalność tlenu 5 Wyznaczone w tej pracy stałe Henry ego dla wody są zgodne z wartościami podanymi w literaturze [5], które wynoszą 73, 97, 114 MPa m 3 /kmol w temperaturach odpowiednio 20, 40 i 60 C. Różnice obu zbiorów wartości nie przekraczają 2% i wskazują na wysoką dokładność stosowanej metody pomiarowej. W przypadku roztworów wodorotlenku sodowego, stałe Henry ego rosną ze wzrostem temperatury i stężenia roztworu, co oznacza, że rozpuszczalność gazu maleje. Powyższe stwierdzenia są zgodne z obserwacjami rzeczywistego procesu technologicznego. WNIOSKI Wykazano przydatność stosowanej metody badawczej z wykorzystaniem kalorymetrii reakcyjnej do wyznaczania rozpuszczalności gazu w cieczy (stała Henry ego) uzyskując dobrą zgodność z danymi literaturowymi dla układu tlen/woda. Tym samym stwierdzono wysoką dokładność stosowanej metody. Zgodnie z oczekiwaniem zaobserwowano spadek rozpuszczalności tlenu w wodnych roztworach NaOH wraz ze wzrostem stężenia wodorotlenku i temperatury. Uzyskano dane ilościowe określające rozpuszczalność tlenu w wodnych roztworach NaOH w funkcji stężenia i temperatury, które zostały następnie wykorzystane przy identyfikacji kinetyki utleniana kwasu p-nitrotoluenosulfonowego za pomocą powietrza w alkalicznych roztworach wodnych. A 1, A 2 stałe w równaniu (3) constants in equation (3) c stężenie molowe, kmol/m 3 molar concentration He stała Henry'ego, MPa m 3 /kmol Henry's constant n liczba moli, kmol number of mols p ciśnienie cząstkowe, MPa T partial pressure temperatura, K Temperature u szybkość obrotowa mieszadła, min -1 stirring speed V objętość, m 3 volume v objętość molowa, m 3 /kmol molar volume OZNACZENIA - SYMBOLS

6 H. KIERZKOWSKA-PAWLAK, G. WIELGOSIŃSKI INDEKSY DOLNE I GÓRNE SUBSCRIPTS AND SUPERSCRIPTS B A G L o * rozpuszczalnik solvent gaz gas faza gazowa gas phase faza ciekła liquid phase warunki początkowe initial conditions końcowy stan równowagi final equilibrium state PIŚMIENNICTWO CYTOWANE - REFERENCES [1] WIELGOSIŃSKI G. i inni, Nowa technologia otrzymywania kwasu 4,4 -diaminostilbeno-2,2 - disulfonowego - sprawozdanie z Grantu KBN nr 3 T09B 028 11 [2] WIELGOSIŃSKI G., SIKORA K., CHACUK A., ZAWADZKA A., Kinetics of Air Oxidation of p- nitrotoluenesulfonic Acid in Aqueous Alkaline Solutions artykuł wysłany do Ind. Eng. Chem. Res. [3] DANCKWERTS P.V., Gas-Liquid Reactions, New York, McGraw-Hill, 1970 [4] CHANG M.-Y., MORSI B.I., Mass Transfer Characteristics of Gases in Aqueous and Organic Liquids at Elevated Pressures and Temperatures in Agitated Reeactors, Chem. Eng. Sci. 1991, 46, 2639 [5] DONIEC A., Zbiór danych do obliczeń z inżynierii chemicznej, Łódź, Wydawnictwo Naukowe PŁ, 1981 HANNA KIERZKOWSKA-PAWLAK, GRZEGORZ WIELGOSIŃSKI THE INFLUENCE OF NAOH CONCENTRATION ON OXYGEN SOLUBILITY IN AQUEOUS SYSTEMS The solubility of oxygen in water and NaOH aqueous solutions were determined experimentally using a reaction calorimeter CPA (ChemiSens, Sweden). The measurements were based on a batch isothermal gas absorption by surface aeration in an initially degassed liquid. In such conditions the absorption causes the drop of the system pressure which can be easily measured and recorded. A knowledge of the total gas pressure change was necessary to calculate the solubility of the gas without any laborious quantitative analysis of the liquid phase. In calculations, the gas phase had to be considered as a non-ideal system. Due to low solubility of oxygen in alkaline solutions a constant liquid phase volume was assumed. Experimental data on oxygen solubility in NaOH aqueous solutions were obtained at three temperatures: 20, 40, 60 o C and over a concentration range of 0,5-1,5 kmol/m 3. The values of Henry s constants were found to increase with decreasing temperature and NaOH concentration. Wpłynęło 10 kwietnia 2001r.