Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (996867), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Если концентрация примесей в воде высока, то основную часть примесей предварительно удаляют другими, более дешевыми методами, Анионирование воды. Анионирование заключается в обмене анионов, содержащихся в воде, на анионы анионита. Обмениваемыми ионами обычно служат ионы ОН, реже С! и другие анионы, Процесс анионирования природной воды можно представить следующими уравнениями: 2й"'злОН + лБО» = йз+лЗО,' + 2лОН й "элОН + лС1 й"' лС) + лОН и"элОН + лНСОз — й" алНСОз + лОН Анионы, содержащиеся в воде, переходят на вопит, а ионы ОН вЂ” в воду. В результате этого повышается щелочность воды. После истощения анионита его регенернруют раствором щелочи, обычно НаОН. При регенерации протекают те же реакции ионного обмена, но в обратном направлении. Например, й"'злС! + лмаэ+ лОН й"+лОН + лма' + лС! Анионирование используется для очистки природных вод, как правило, совместно с другими методами.
С помощью анионирования также очищают сточные воды от вредных анионов, например ионов СМ , радиоактивных анионов и др. Химическое обессолнвание воды. При создании мощных тепловых электростанций возникла серьезная проблема получения больших количеств воды высокой чистоты. Эту проблему удалось решить при разработке метода химического обессоливания воды.
Химическое обессоливание воды заключается в последовательной многократной обработке воды в Н-катионитовых и ОН-анионитовых фильтрах. В результате Н-катионирования в воду переходят ионы Н+, а в результате ОН-анионирования— ионы ОН . Они взаимно нейтрализуются Н++ОН =НзО, и в результате примеси остаются на ионитах. После истощения ионитовых фильтров они регенерируются соответственно растворами кислоты и щелочи. Наиболее трудно удалить из раствора анионы слабых кислот, особенно анионы кремниевых кислот. Для этого используются сильные аниониты, у которых функциональные группы диссоциированы полностью.
Ионный обмен с гидросиликатным анионом протекает по уравнению 379 Рнс. Х!'зг 4. Схема многокамерного электро дналнаатора 380 аА М Н 6- И"4лОН + «Н5!Оз П"+лН5нпз + лОН Ма Н« Удаление анионов кремниевой кисло! иа'1 ты — очень важная операция в теплоэнергетике, так как эта кислота легко пеРеходит в пар высокого давления, а затем осаждается иа лопатках турбин, что снижает КПД электростанции. Химическое обессоливание является заключительной операцией по подготовке воды, поступающей в парогенератор. ПредвариА анод К катод ги ГЕЛЬНО ОСНОВНаЯ МаССа ПРИМЕСЕЙ УДаЛЯЕт.- анноннтоаан мембрана; Мк- Ся МЕтпдаМИ КОасуЛИИИИ, ОСаждЕНИИ катноннтоаан мембрана и др Электродиализ.
Удаление ионных примесей из растворов электрохимическим методом с использованием мембран или диафрагм получило название электродиализа. Рассмотрим удаление сульфата натрия из воды в электродиализаторе с ионообменными мембранами. Простейший электродиализатор (рис. Х1Ч.З) состоит из трех отделений, разделенных двумя ионообменными мембранами, и двух электродов. Мембрана состоит из ионообменного материала, способного пропускать через себя либо катионы (катионитовая мембрана — Мк), либо анионы (анионитовая мембрана — Мд). Вода, содержащая сульфат натрия, подается в среднее отделение электродиализатора.
При подводе напряжения ионы натрия и водорода через катионитовую мембрану двигаются к катоду К, а сульфат-ионы и ионы гидроксида через анионитовую мембрану — к аноду А. В соответствии со значением электродных потенциалов (см. э" Ч11.3) на катоде может происходить только восстановление ионов водорода Н+ -1-ОН -!-!Чаа + е — Н, + ка + ОН 2 В результате в катодном отделении выделяется водород и образуется щелочь.
На нерастворимом аноде может разряжаться только гидроксид-ион (см. э' ЧП.З): ! 2Н«+ 20Н + 50з — 2е — — Оз+ НзО+ 2Н«+ 50зз- 2 «А КГ4« М«г!а Р!«Нл зкгл ' Следовательно,в анодном П !1 !П '1 отделении выделяется кислород и 'образуется кис- ! Н» ! !!4а, ! !!Мп ! лота. В итоге из катодно- го отделения выводится !-50« ! !-00«'! ~!-апта ! ! ! ! ! ! раствор щелочи, из анод- 0Н' ! О)(! ! ОН! ного отделения — раствор ! ! ! ! ! кислоты, из центрального отделения — очищенная вода. На практике исполь- зуют многокамерные электродиализаторы (рис.
Х1Н. 4). Вода с примесями подается в отделения (камеэоы) !. При подаче напряжения к электродам ионы (ча+ и 804 через мембраны из отделений 7 поступают в отделения 11. (Через анионитовую мембрану Мл могут проходить анионы и не могут — катионы. Катионитовая мембрана пропускает катионы и не пропускает анионы.) В результате в отделениях! концентрация ионов уменьшается, а в отделениях П вЂ” возрастает, поэтому из отделений l выводится очищенная вода, а из отделений П вЂ” раствор, в котором концентрация соли увеличена (рассол). На катоде и аноде протекают такие же реакции, что и в трехкамерном электродиализаторе.
$ Х1рР.4. СОСТАВ И СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА Классификация топлива. В настоящее время основным источником энергии на Земле является химическая энергия топлива. Топливо подразделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и газообразное, по способу получения — на естественное и искусственное. К твердому виду топлива относятся каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф, а также дрова.
К жидкому виду топлива относятся нефть и продукты переработки топлива: бензин, керосин, мазут, сланцевое масло и др. К газовому виду топлива относятся природный газ и газообразные продукты переработки жидкого и твердого топлива. Теплота сгорания топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания вещества называют тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов.
Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (давление ! 01 кПа), одному молю топлива и температуре 298,15 К и назначают стандартной теплотой сгорания. Расчет теплоты сгорания, как и теплового эффекта любой реакции, можно легко произвести, если известны теплоты образования топлива и продуктов его полного окисления. Например, теплоту сгорания метана СНр + 20р= СОр + 2Нр0(р)'' можно подсчитать по уравнению АН ..сн, = (ЬМ*рр,сор+ 2ЬН рр нрор р) — (зН,рр, сн, + 2АН рр,о,). Подставляя теплоты образования продуктов горения и самого метана из табл. 117.1 и принимая 7177'.ьр ор = О, получаем АН,',сон,= ( — 38362-2 241,72) — ( — 74,78)= — 882,28 ндж/моль. В энергетике термохимические свойства топлива обычно характеризуются его удельной теплотой сгорания, которая равна количеству теплоты, выделяющемуся при сгорании 1 кг жидкого 381 или твердого топлива и ! м' газообразного топлива до образования высших оксидов.
Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше ценность этого топлива. Удельная теплота сгорания топлива может быть рассчитана, если известны его теплота сгорания и молекулярная масса: 17, = — ди 1обо7м, где Я, — удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг; /х̈́— теплота сгорания топлива, кДж/молгн М вЂ” молекулярная масса топлива, г/моль. Рассчитаем, например, удельную теплоту сгорания метана. Теплота его сгорания ЛН'г,сн,= — 802,28 кДж/моль, молекулярная масса метана 16, отсюда 17.сн,= = 80 142 кйнг/кг.
— 802,28. 1О' 1б Ввиду сложности состава природного топлива расчет удельной теплоты его сгорания затруднен, поэтому ее обычно определяют экспериментально. Твердое топливо н продукты его переработки. В твердом топливе можно условно выделить горючую и негорючую части. Горючая часть состоит в основном из пяти элементов: углерода, водорода, серы, кислорода и азота. К негорючей части топлива относят неорганические вещества, .переходящие после сжигания тойлива в золу и влагу. Влага снижает теплоту сгорания топлива, так как на ее испарение расходуется теплота.
На нагревание золы также расходуется теплота. Удельная теплота сгорания различных видов твердого топлива колеблется в широких пределах (МДж/кг): каменного угля 30 — 36, бурого угля 23 — 31, торфа 20 — 24, горючих сланцев 14 — 17. Для извлечения ценных компонентов и придания более удобного для использования вида твердое топливо подвергают химической обработке. Используются в основном три способа обработки твердого топлива: пиролиз (сухая перегонка), частичное окисление (конверсия) и гидрогенизация. Пиролиз заключается в нагреве топлива при 500 †6 'С или 900 †11 'С без доступа воздуха.
При этом происходит разрыв некоторых химических связей и соответственно распад макромолекул, в результате чего образуются газообразные и жидкие продукты и твердый остаток (кокс или полукокс), состоящий в основном из углерода и золы. Из газообразных продуктов выделяют ценные для химической промышленности компоненты, например сероводород и аммиак. Оставшийся газ, называемый коксовым, состоящий в основном из метана и водорода, используют как восстановитель и топливо.
Жидкие продукты (смолы) применяются в химической промышленности. Кокс и полукокс служат восстановителями в металлургии. З82 При продувании воздуха через раскаленный уголь получают воздушный (генераторный) газ, который в основном состоит из азота и оксида углерода. При взаимодействии воздуха и угля происходят сложные процессы. Основную реакцию можно представить суммарным уравнением для ! моль СО: С+ '/ьОк + (4(4к) = СО+ (4Хк), ЛЛ(м = — ((О кдж!моль. Из-за наличия значительного количества азота удельная теплота сгорания воздушного газа невелика 3,3 — 5,0 МДж/м'.