Характерные особенности водно-электролитных смесей

Следует отметить, что Д.И. Менделеев какой-либо количественной теории растворов не создал, но в его классических трудах исключительно четко отражены его взгляды на эту проблему, и история ее развития до наших дней все более подтверждает правоту его основных положений.

Количественное описание физико-химических свойств растворов в области реальных концентраций, представляющих практический интерес, до настоящего времени мало продвинулось вперед. Физико-химические особенности свойств растворов зависят в основном от природы растворителя и растворенного вещества, его концентрации, температуры, давления и некоторых других.

По нашему мнению, физико-химические закономерности водно-электролитных систем должны развиваться на основе учения Д.И. Менделеева о растворах. В целом основные положения этого учения, пользуясь современной терминологией, можно тезисно охарактеризовать следующим образом:

-в растворах без учета свойств и состояний каждого из компонентов раствора, невозможно получить полноценную характеристику системы в целом;

-в растворах необходимо учитывать все типы сил взаимодействия между всеми видами частиц, составляющих раствор, включая и частицы, образовавшиеся при возникновении раствора;

-в растворах необходимо учитывать всю сумму химических и физических сведений о свойствах частиц, образующих раствор;

-химическая технология, настоятельно нуждающаяся в количественном описание растворов, сегодня использует только термодинамические и эмпирические соотношения из всего набора физико-химических свойств, характеризующих растворы электролитов.

Достаточно солидные результаты термохимических исследований получены в бывшем ЛГУ Л.С. Лиличем, В.А. Латышевой и их сотрудниками. Обширный материал по термохимии и термодинамике бинарных и многокомпонентных солевых растворов накоплен в государственном научно-исследовательском и проектном институте основной химии, Харьковском государственном университете (г. Харьков, Россия), в РХТУ им. Д.И. Менделеева, в бывшем ЛТИ им. Ленсовета, в Ивановском химико-технологическом институте, Институте общей и неорганической химии РАН и других в результате плодотворной работы школ С.И. Дракина, М.С. Стаканова, Г.А. Крестова, О.Я. Самойлова, Н.А. Измайлова в частности. На сегодня лучшие традиции в изучении физико-химических особенностей водно-электролитных систем успешно развиваются в России продолжателями научных школ А.В. Сторонникова, О.Я. Самойлова, К.Б. Яцимирского, С.А. Щукарева, А.Ф. Капустинского, Л.С. Лилича и других в лице К.П. Мищенко, Г.М. Полторацкого, А.К. Лященко, В.А. Шапошника, Ю.П. Сырникова, Б.Б. Танганова, М.М. Балданова, в частности [37].

Следует отметить, что применительно к практическим задачам технологии на сегодня достаточно важно знать суть и природу характерных особенностей изменений основных физико-химических свойств водно-электролитных систем - вязкости, плотности, теплоемкости и теплопроводности, а также температурного роста растворимости электролитов в воде. В этом отношении также нуждаются в усовершенствовании известные методики расчетного определения гидратных чисел ионных компонентов раствора. Несмотря на наличие большого и общедоступного фактологического материала в современной научной литературе они все еще достаточно в полной мере научно не обоснованы.

1.6 Влияние внешних факторов на параметры разделения водных смесей обратным осмосом

При разделении электролитов обратным осмосом важными параметрами процесса являются: гидродинамические условия, концентрация исходного раствора, давление, температура и рH среды. В работе [37] широко изучается влияние этих факторов на селективность и удельную производительность мембраны» Обнаружены некоторые закономерности, которые авторы анализируют на основе капиллярно-фильтрационной модели.

Влияние гидродинамических условий. B процессе обратного осмоса концентрация растворенных веществ у поверхности мембраны,, возрастает за счет проникания растворителя через мембрану и задерживания растворенных солей. Такое явление, известное под названием "концентрационная поляризация" (КП), всегда оказывает отрицательное влияние на процесс разделения, так как с увеличением концентрации раствора у мембраны возрастает осмотическое давление и уменьшается удельная производительность мембраны. В то же время, наблюдаемаяселективность системы, , становится менее истинной, , и концентрация растворенных солей в пермеате,, возрастает. На практике величину КП, ,стараются уменьшить. С этой целью можно пользоваться турбулизаторами или увеличить скорость раствора над мембраной для увеличения коэффициента массоотдачи, [38].

Наблюдаемую и истинную селективность можно связать уравнением:

где:

- коэффициент массоотдачи растворенного вещества

от поверхности мембраны в ядро потока разделяемого раствора;

- удельная производительность мембраны по воде;

- толщина ламинарного пограничного слоя над мембраной;

- коэффициент диффузии растворенного вещества.

Коэффициент массоотдачи,, обычно рассчитывается с помощью критериальных уравнений.

Необходимо, отметить, что уравнение (8) применимо для многокомпонентных растворов только в том случае, когда коэффициенты диффузии присутствующих ионов очень близки. Иначе использование уравнения (8) приведёт к ошибкам, особенно для ионов, которые в растворе находятся в небольших количествах.

Влияние концентрации исходного раствора. При разделении индивидуальных растворов электролитов обратным осмосом можно найти три области в ходе зависимости селективности мембраны от концентрации исходного раствора. В области очень маленьких концентраций ( < 0,001 М), селективность падает с уменьшением концентрации и стремится к нулю при М. В пределах <С < 0,5 М находится область более элективного применения обратного осмоса; в ней селективность максимальна и практически не зависит от концентрации. При увеличении концентрации селективность начинает падать и обращается в ноль при концентрациях порядка 4 М. Авторы работы [38] предполагают, что маленькие значения селективности при низких концентрациях обусловлены взаимодействием ионов с материалом мембраны, предположительно за счет присутствия в мембране отрицательных зарядов (для ацетатцеллюлозы - диссоциированные карбоксильные группы). При больших концентрациях уменьшение селективности обусловлено, по мнению авторов работы [38], ослаблением взаимодействия ионов с гидратной водой.

Влияние рабочего давления, на удельную производительность мембран можно учитывать уравнением (9) для мембран с жесткой структурой. Для ацетатцеллюлозных мембран линейность этой зависимости не выполняется из-за деформации полимера под действием Давления. В работе [38]предлагается следующее эмпирическое Уравнение для расчета удельной производительности:

где: и - постоянные для данной системы мембрана-раствор.

Селективность мембран тоже зависит от рабочего давления. Для ацетатцеллюлозных мембран эта зависимость описывается уравнением:

где: и -постоянные для данной системы мембрана-раствор.

Для ацетатцеллюлозных мембран рост селективности при увеличении давления можно объяснить, в рамках капиллярно-фильтрационной модели, уменьшением диаметра пор мембраны. Однако, существование такой тенденции и у мембран с жесткой структурой говорит о более сложном механизме транспорта вещества через мембрану.Авторы [38] изучали зависимость селективности стеклянных мембран от скорости фильтрации и получили хорошее совпадение между теорией и экспериментами. По этой теории селективность меняется, потому что меняется профили скорости и концентрации в поре. Однако, при достаточно больших скоростях фильтрации такой эффект теряет значение из-за преобладания конвективного механизма транспорта над диффузионным и селективность достигает максимальной постоянной величины.

Влияние температуры. Эксперименты показывают [38],что для ацетатцеллюлозных мембран при повышении температуры удельная производительность сначала увеличивается обратно пропорционально вязкости жидкости. Затем, при температуре 50-600 С достигает максимума и падает до нуля при температуре около 800 С. Причина падения удельной производительности с повышением температуры еще неясна, но пожалуй, относится к изменению в структуре полимера. Селективность ацетатцеллюлозных мембран при повышении температуры сначала возрастает, затем остается постоянной.

Влияние рН среды. В научной литературе существует очень мало работ, где изучается рН среды на характеристики разделения. Сугара и сотрудники [38] наблюдали сильную зависимость селективности мембраны по щелочым и тяжелым металлам от значения рН системы. Для растворов хлоридов Na+ и К+ обнаружили минимум селективности при рН около 5. для низко растворимых солей влияние рН среды на селективности связывается с изменением константы диссоциации электролита.

1.7 Выводы из аналитической части

1. При промышленном использовании обратного осмоса наиболее часто встречаются задачи, связанные с разделением многокомпонентных растворов электролитов.

2. Параметры процесса обратного осмоса применительно к многокомпонентным системам описаны с точки зрения основных закономерностей разделения водных смесей.

3. Состояние проблемы модели процесса разделения обратным осмосом и основные методы для расчета селективности мембраны в индивидуальных системах электролитов.

4. Изучено влияние большого разнообразия внешних факторов на селективность и проницаемость многокомпонентных систем. Полученные результаты не анализированы с учетом линейных и зарядовых показателей ионных составляющих растворов.

1.8 Постановка задачи исследований

На основании анализа литературных источников в задачи исследования работы входят:

- изучить закономерности мембранного разделения обратным осмосом модельных многокомпонентных водно-электролитных смесей в зависимости от давления и температуры;

- результаты исследований обобщить с учетом современного уровня знаний о свойствах водно-электролитных растворов и их составляющих;

- разработка новых теоретических положений о зависимости параметров мембранного разделения водных растворов многокомпонентных водных растворов электролитов от зарядовых показателей их ионных составляющих;

- обобщение результатов.

2. Экспериментальная часть

2.1 Описание схемы лабораторной установки

Схема лабораторной установки обратного осмоса представлена на рисунке 3.

Установка предназначена изучения влияния давления и температуры на удельную производительность и селективность.

Рисунок 3. Схема лабораторной установки

Опыты проводились на лабораторной установки, которая состоит из обратноосмотической ячейки, конструкция которой представлена на рисунке 3. Давление в ячейке создается с помощью сжатого азота, который поступает в аппарат через вентиль 1. Измерение давления проводится с помощью манометра 2. Жидкость перемешивается стальной лопастной мешалкой 3, приводимой во вращательное движение магнитом. Мешалка располагается, как можно ближе к поверхности мембраны и покрывается полимером для предотвращения коррозии. В емкости имеется змеевик 4 для изменения температуры раствора. Весь корпус аппарата сделан из нержавеющей стали. Мембрана 5 находится на пористой подложке 6 и закреплена с помощью фланцев 7 и прокладки 8. Пермеат выходит из аппарата через дренаж 9. Наружная поверхность корпуса покрывается тепловой изоляцией 10.

Объем ячейки составлял 1 литр, то есть был достаточно большим для того, чтобы во время опыта не происходило существенного изменения концентрации разделяемого раствора.Рабочая поверхность мембраны равнялась 34,5 см2.

2.1.1 Характеристика используемых мембран

В качестве мембран были использованы ацетатцеллюлозные мембраны различных марок, которые обладают следующими паспортными характеристиками при давлении Р= 50 атм (5,0 МПа) и приведены в таблице 3 .

Таблица 3 Паспортные характеристики мембран

Марка	Пористость, %	Удельная производительность по воде, л/м2 в сутки
МГА-80	72-78	600
МГА-90	72-78	350
МГА-95	72-78	250
МГА-100	72-78	100

С целью стабилизации характеристик мембран перед работай новой мембраны проводилось ее уплотнение при условиях: температура до 500 С и давлении до 10 МПа, в течение 8 часов. При этом селективность достигала максимального значения, но удельная производительность несколько снижалась. После уплотнения мембраны измерялась ее селективность.

2.2 Методика проведения эксперимента

2.2.1 Влияние давления на удельную производительность и селективность

Порядок выполнения работы. При полностью открытых регулирующих вентилях и закрытых запорных нажатием кнопок на стенде последовательно включают насосы. При этом происходит интенсивная циркуляция раствора в системе при нулевом давлении по манометру . Работа в таких условиях продолжается 5 мин. За это время происходит выравнивание концентрации в емкости инапорном канале аппарата А. После этого открывают запорный вентиль на линии концентрата и отбирают необходимое для анализа количество воды (20-30 мл). Полученная в результате анализа концентрация считается концентрацией исходной воды. После этого при заданных расходе концентрата и нескольких давлениях, определяемых соответственно по ротаметру и манометру, проводят замеры расхода пермеата (по ротаметру) и отборы проб с помощью вентилей на анализ содержания растворенного вещества в концентрате и пермеате. Рабочую температуру замеряют посредством погружения термометра в емкость, поддерживают на уровне 25±3°С путем регулирования крана подачи холодной воды в змеевик охлаждения емкости. По окончании экспериментов нажатием кнопок последовательно выключают насосы и перекрывают кран подачи водопроводной воды.

2.2.2 Влияние температуры на удельную производительность и селективность

Порядок выполнения работы. Открывают кран подачи охлаждающей воды в змеевик охлаждения 3 емкости Е (рис.1). При всех открытых регулирующих вентилях и закрытых запорных включают нажатием кнопки на стенде насос H1 и затем H2. Циркуляцию воды без давления осуществляют в течение 10 мин. За это время происходит охлаждение жидкости в емкости Е и одновременно выравнивание концентрации в ней и напорном канале аппарата А. После этого открывают запорный вентиль на линии концентрата B31 и отбирают на анализ 20-30 мл раствора. Полученную концентрацию считают концентрацией исходной воды. После этого с помощью регулирующих вентилей устанавливают заданный расход концентрата по ротаметру Р1 и рабочее давление по манометру М2. затем полностью отключают подачу исследуемой воды и проводят с помощью термометра замер температуры в емкости Е с одновременным отбором проб концентрата и пермеата на анализ с помощью вентилей B31 и В32 и замер расхода пермеата по ротаметру Р2. Замеры повторяют через каждые 5-10 мин в зависимости от скорости повышения температуры в емкости, связанной с переходом в тепло энергии потока концентрата после прохождения вентиляВР3. Последний замер проводят при достижении температуры в емкости величины 35+38°С. После этого последовательно выключают насосы Н2 и H1.

2.2.3 Методика обработки экспериментальных данных

Для всех испытанных давлений рассчитывают проницаемость G путем деления объемного расхода пермеата на рабочую поверхность мембраны и продолжительность процесса ф, и селективность ц по формуле ц =( Х1 -- Х2)/Х1где в качестве концентрации разделяемого раствора Х1 берут среднеарифметическую величину между концентрацией исходного раствора и концентрата. Затем строят графики зависимостей G и ц от давления и температуры. Графические зависимости анализируют, обобщают и формулируют выводы.

2.3 Выбор методик анализов

2.3.1 Определение жесткости

Наиболее точный и распространенный метод определения общей жесткости -комплексометрический, основанный на образовании ионами Са2+ и Mg2+ прочных внутрикомплексных соединений с трилоном Б. В качестве индикатора при определении общей жесткости используется эрихром черный (кислотный хромоген специальный ЕТ - 00). В щелочной среде (рН 8-11) ионы Са2+ и Mg2+ образуют с эрихромом черным комплексы красного цвета менее прочные, чем комплексонаты этих металлов с трилоном Б, не имеющие окраски. Поэтому в точке эквивалентности красная окраска раствора переходит в синюю, обусловленную окраской аниона индикатора.

Определение: В коническую колбу отмерить пипеткой соответствующее количество исследуемой воды (при значительной жесткости разбавить пробу дист, водой). Добавить 5 мл аммонийной буферный раствор рН-10 (для Mg), 5-8 капель эриохрома черного или индикатора несколько крупинок (на кончике шпателя) и титровать рабочим раствором трилона Б до перехода вишнево-красной окраски в синюю. Окраски раствора от избытка трилона Б остается неизменной, поэтому в конце титрования рабочий раствор трилона следует прибавлять по каплям, энергично перемешивая (жесткость воды в мг-экв. ионов Ca2+и Mg2+ в 1л. 1 мг-экв. Ca2+-20,04 мг, 1 мг-экв. Mg2+ - 12,16мг).

Записать результаты титрования.

Расчет:

где: Жобщ - общая жесткость воды, мг-экв.л-1

V- объем рабочего раствора трилона Б на титрование пробы воды,мл.

N - нормальность рабочего раствора трилона Б,

а - объем пробы, мл.

2.3.2 Определение кальция

Сущность комплексометрического метода заключается в том, что ионы Са2+в щелочной среде образует комплексное соединение с индикатором мурексидом, которое разрушается при титровании трилоном Б в результате образования более устойчивого комплекса кальция.

Мурексид (аммониевая соль пурпуровой кислоты) при рН=12 взаимодействует с ионами Са2+, образуя соединение розового цвета.

При жесткости менее 0,05 мг-экв л-1 применяют индикатор кислотный хром темно-синий.

Определение: В коническую колбу на 250 мл отмерить пипеткой 50-100мл исследуемой воды. Прибавить 2 мл 10-го раствора NaOH.

Внести несколько крупинок смеси индикатора мурексида с NaCl (на кончике стеклянной лопатки). После растворения индикатора раствор приобретает розовую окраску. Сразу же оттитровать пробу 0,05 раствором трилона Б, энергично помешивая до появления лиловой окраски. Титровать рекомендуется в присутствии «свидетеля» - перетитрованной пробы.

Расчет. Содержание Са2+вычисляют по форм

(12)

где: V - объем рабочего раствора трилона Б на титрование, мл;

N - нормальность рабочего раствора трилона Б;

Е - эквивалент кальция (20,04);

а - объем воды для определения, мл.

Определение магния производится расчетом

2.3.3 Определение калия

В стакан вместимостью 200 см3 отмеривают от 10 до 100 см5 анализируемой воды с таким расчетом, чтобы в ней содержалось от 0,1 до 20 мг ионов калия. Для устранении мешающего влияния ионов аммония к анализируемой воде прибавляют 10 см3 25%-ного раствора гидроокиси натрии и содержимое кипятят до уменьшения объема на 1/3.

Пробу охлаждают, приливают 2 капли метилового оранжевого и титруют раствором соляной кислоты 1:1 до изменения цвета раствора из желтого в розовый.

При перемешивании прибавляют к пробе 10 см3 3%-ного раствора тетрафенилбората натрия. Через 1 ч отфильтровывают выпавший осадок через стеклянный фильтр, подготовленный. Осадок на фильтре несколько раз обрабатывают промывным раствором, высушивают при температуре 105--120°С и доводят до постоянной массы с погрешностью взвешивания не более ±0.0005 г.

2.3.4 Определение железа двухвалентного

При низком содержании Fe2+(колориметрический метод).В мерную колбу вместимостью 50 мл отбирают 10-25 мл исследуемой воды и приливают 5 мл раствора сульфатсалициловой кислоты и нейтрализуют аммиаком до слабо желтой окраски, прибавляют еще 3-5 капель избытка аммиака, доводят дистиллированной водой до метки и через 10 минут колориметруют в кюветах длиной 10 мл относительно холостой пробы на ФЭК-М с синим светофильтром или ФЭК-56 М со светофильтром (л =440-400). По полученным данным строить градировочный график. Содержание железа (мг/л) рассчитывают по формуле:

где: А - количество железа найденное по градировочному графику, мг.

а - объем анализируемой воды, мл.

2.4 Результаты эксперимента и их обсуждение

Были приготовлены 6 модельных растворов, которые в свою очередь были поделены на:

· модельные растворы по катиону К+

· модельные растворы по аниону Сl-

2.4.1 Модельные растворы по катиону К+

Сведения о модельных водных растворах приведены ниже в таблице 4

Таблица 4 Модельные растворы

Модельные растворы по катиону К+	Модельные растворы по аниону Сl-
KI+H2O	LiCl+H2O
KCl+H2	NaCl+H2O
KF+H2O	KCl+H2O

Влияние рабочего давления на процесс

а) Модельный раствор КF +H2O. Концентрация иона F- в исходной воде 18,42 мг/л, Т = 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 МПа

при Р3 = 8МПа

б) Модельный раствор КCl+H2O. Концентрация иона Сl- в исходной воде 21,79 мг/л, Т= 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:



л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 МПа

при Р3 = 8 МПа

в) Модельный раствор KI+H2O. Концентрация иона I- в исходной воде 23,46 мг/л, Т= 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 Мпа

при Р3 = 8 МПа

Результаты расчетов экспериментальных данных на проницаемость и селективность приведены на рисунках 4,5, соответственно.

Рисунок 4. Влияния рабочего давления на проницаемость

Рисунок 5. Влияния рабочего давления на селективность

Данные рисунков 1и 2 показывают что, с ростом давления для всех изученных водно-электролитных систем как селективность, так и производительность возрастают. При этом рост производительности с увеличением давлением следует понимать как результат увеличения движущей силы процесса. Возрастание производительности в ряду ионов идет по последовательности:

По рабочему давлению наблюдается, что характер изменений селективности разделения по ионам для всех растворов одинаковый. Возрастание селективности в ряду ионов идет в обратной производительности последовательности: требует объяснений

Влияние температуры на процесс

а) Модельный раствор КF +H2O. Концентрация иона F- в исходной воде 18,42 мг/л.

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Т1 = 150 С

л/м2*мин при Т 2 =300 С

л/м2*мин при Т 3 = 450 С

при Т 1 = 150 С

при Т 2 = 300 С

при Т 3 = 450 С

б) Модельный раствор КCl+H2O. Концентрация иона Сl- в исходной воде 21,79 мг/л.

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Т1 = 150 С

л/м2*мин при Т 2 = 300 С

л/м2*мин при Т 3 = 450 С

при Т 1 = 150 С

при Т 2 = 300 С

 при Т 3 = 450 С

в) Модельный раствор KI+H2O. Концентрация иона I- в исходной воде 23,46 мг/л.

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 МПа

при Р3 = 8 МПа

Результаты расчетов экспериментальных данных на проницаемость и селективность приведены на рисунках 6,7, соответственно.

Рисунок 6. Влияния температуры на производительность



Рисунок 7. Влияния температуры на селективность

Как видно из полученных данных (рис. 3,4) с ростом температуры производительность по пермеату увеличивается как результат снижения вязкости растворов. Наблюдаемая и в этом случае последовательность изменения производительности исследованных растворов по ионам .С ростом температуры селективность не изменяется, что недостаточно полно согласуется с известными результатами.

2.4.2 Модельные растворы по аниону Сl-

Влияние давления на процесс

а) Модельный раствор KCl+H2O. Концентрация иона K+ в исходной воде 23,46 мг/л, Т= 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

 при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 МПа

при Р3 = 8 МПа

б) Модельный раствор LiCl +H2O. Концентрация иона Li+ в исходной воде 17,52 мг/л, Т = 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 МПа

при Р3 = 8МПа

в) Модельный раствор NaCl+H2O. Концентрация иона Na+ в исходной воде 16,84 мг/л, Т= 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Р1 = 2 МПа

л/м2*мин при Р2 = 5 МПа

л/м2*мин при Р3 = 8 МПа

при Р1 = 2 МПа

при Р2 = 5 МПа

при Р3 = 8 МПа

Результаты расчетов экспериментальных данных на проницаемость и селективность приведены на рисунках 8,9, соответственно.

Рисунок 8. Влияния рабочего давления на производительность

Данные рисунков показывают что, с ростом давления для всех изученных водно-электролитных систем как селективность, так и производительность возрастают. При этом рост производительности с давлением следует понимать как результат увеличения движущей силы процесса. Возрастание производительности в ряду ионов идет по последовательности:По рабочему давлению наблюдается, что характер изменений селективности разделения по ионам для всех растворов одинаковый. Возрастание селективности в ряду ионов идет в обратной производительности последовательности: требует объяснений.

Влияние температуры на процесс

а) Модельный раствор KCl+H2O. Концентрация иона K+ в исходной воде 23,46 мг/л.

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Т1 = 150 С

л/м2*мин при Т 2 = 300 С

л/м2*мин при Т 3 = 450 С

при Т 1 = 150 С

при Т 2 =300 С

при Т 3 = 450 С

б) Модельный раствор LiCl +H2O. Концентрация иона Li+ в исходной воде 17,52 мг/л.

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Т 1 = 150 С

л/м2*мин при Т 2 = 300 С

л/м2*мин при Т 3 = 450 С

при Т 1 =150 С

 при Т 2 =300 С

при Т 3 =450 С

в) Модельный раствор NaCl+H2O. Концентрация иона Na+ в исходной воде 16,84 мг/л, Т= 200С

Производительность мембраны по пермеату и селективность по ионам определяли по выражениям:

л/м2*мин при Т 1 =150 С

л/м2*мин при Т 2 = 300 С

л/м2*мин при Т 3 = 450 С

при Т 1 = 150 С

при Т 2 = 300 С

при Т 3 = 450 С

Результаты расчетов экспериментальных данных на проницаемость и селективность приведены на рисунках 10,11, соответственно.

Рисунок 10. Влияния температуры на производительность



Рисунок 11. Влияния температуры на селективность

Как видно из полученных данных с ростом температуры производительность по пермеату увеличивается как результат снижения вязкости растворов. Наблюдаемая и в этом случае последовательность изменения производительности исследованных растворов по иона. С ростом температуры селективность не изменяется, что недостаточно полно согласуется с известными результатами.

2.5 Обработка экспериментальных данных по селективности с учетом свойств катионных составляющих изученных растворов

На основе справочных данных, приведенных в таблицах 5,6,7,8 катионы изученных растворов в зависимости от их индивидуальных свойств можно расположить в порядке, как показано в таблице 9.

Таблица 5 Справочные данные по ионам [39]

№ п/п	Ионы	Радиус ионов,	Поверхностная плотность заряда ионов, Кл/2•	Гидратные числа ионов	Теплоты гидратации ионов Дж/моль
1	Са2+	0,720	0,4921	11,56	2089
2	Ni2+	0,736	0,4709	11,06	2239
3	Mg2+	0,740	0,4659	10,94	1955
4	Li+	0,780	0,2096	9,92	531
5	Мn2+	0,800	0,3986	9,36	1879
6	Fe2+	0,815	0,3841	9,02	1960
7	Zn2+	0,830	0,3703	8,70	2076
8	Na+	0,980	0,1328	3,12	923
9	Cd2+	0,997	0,2566	6,03	1838
10	Cu2+	1,018	0,2501	5,87	2131
11	Ca2+	1,030	0,2405	5,65	1616
12	Sr2+	1,200	0,1772	4,16	1477
13	Pb2+	1,320	0,1464	3,44	1515
14	K+	1330	0,0721	1,70	339
15	Ro2+	1387	0,1326	3,11	1329
16	Rb+	1490	0,0574	1,35	314
17	Cs+	1,650	0,0468	1,10	280

Таблица 6 Справочные данные по ионам [39]

№ п/п	Ионы	Радиус ионов,	Поверхностная плотность заряда ионов, Кл/2•	Гидратные числа ионов	Теплоты гидратации ионов Дж/моль	Удельная теплота гидратации
1	Со2+	0,64	0,62286	14,63156	2089	180,7
2	Ni2+	0,690	0,53586	12,58787	2239	202,44
3	Mg2+	0,780	0,41934	9,85056	1955	178,7
4	Mn2+	0,800	0,3986	9,36	1879	200,7
5	Fe2+	0,815	0,3841	9,02	1960	217,3
6	Zn2+	0,816	0,3703	8,70	2076	236,6
7	Cu2+	0,826	0,37393	8,78396	2131	304,8
8	Cd2+	0,997	0,2566	6,03	1836	363,3
9	Ca2+	1,090	0,21473	5,04426	1616	286,0
10	Sr2+	1,200	0,1772	4,16	1477	355,0
11	Pb2+	1,243	0,16512	3,87889	1515	440,4
12	Ba2+	1,366	0,13673	3,211804	1329	327,3

Таблица 7 Справочные данные по ионам [39]

№ п/п	Ионы	Радиус ионов,	Поверхностная плотность заряда ионов, Кл/2•	Гидратные числа ионов	Теплоты гидратации ионов Дж/моль	Удельная теплота гидратации
1	Li+	0,780	0,2096	4,92	531	107,9
2	Na+	0,980	0,1328	3,12	423	135,5
3	K+	1,330	0,0721	1,70	339	159,0
4	Rb+	1,490	0,0574	1,35	314	232
5	Cs+	1,650	0,0468	1,10	280	254

Таблица 8 Справочные данные по ионам [39]

№ п/п	Ионы	Радиус ионов,	Поверхностная плотность заряда ионов, Кл/2•	Гидратные числа ионов	Теплоты гидратации ионов Дж/моль	Удельная теплота гидратации
1	F-	1,33	0,0721	1,69	476	281,65
2	Cl-	1,81	0,0389	0,91	351	385,7
3	Ba2-	1,96	0,0332	0,78	318	407,7
4	I-	2,20	0,0263	0,62	280	451,6

Таблица 9 Характеристика катионов изученных растворов [39]

№ п/п	Ионы	Радиус ионов,	Поверхностная плотность заряда ионов, Кл/2•	Гидратные числа ионов	Теплоты гидратации ионов, кДж/моль	Удельная гидратная теплота гидратации ионов, кДж/моль на единицу гидратного числа
1	Li+	0,780	0,2096	4,92	531	107,9
2	Na+	0,980	0,1328	3,12	423	35,5
3	K+	1,330	0,0721	1,70	339	159,0

Результаты графической обработки экспериментальных данных по изменению селективности катионов изученных растворов в зависимости от удельной теплоты гидратации ионов. (в данном случае катионов) приведены на рисунках 12



Рисунок 12. Зависимость катионной селективности мембранного разделения растворов от удельной теплоты гидратации ионов.

Последовательность изменения селективности ионов

Na +<Li+< К+

Последовательность изменения удельной гидратной теплоты гидротации ионов

Na +<Li+< К+

Как видно, закономерность наблюдается.

Представленные выше рисунки показывают, что ионная селективность исследованных растворов не проявляет конкретной зависимости от размера ионов, от поверхностной плотности их зарядов, от теплоты гидратации ионов. Об этом свидетельствуют несоответствия в последовательностях изменений селективности ионов и их радиусов, поверхностной плотности и теплоты гидратации ионов.

Такая закономерность явно существует между ионной селективностью исследованных растворов и удельной теплотой гидратации ионов (рис.9). Об этом свидетельствует полное соответствие последовательностей изменений селективности ионов и удельной теплоты гидратации их.

Компьютерная обработка полученной зависимости позволил получить ниже следующие аналитические выражения:

= -0,001ДЗуд + 0,454ДЗуд -29,01

= -0,001ДЗуд + 0,581ДЗуд- 41,43

= -0,001ДЗуд + 0,272ДЗуд -53,41

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяет сделать нижеследующие выводы:

- температура и рабочее давление оказывают существенное влияние на параметры мембранного опреснения подземной воды;

- с ростом температуры проницаемость исследуемой подземной воды увеличивается как следствие снижения вязкости при постоянном рабочем давлений;

- с ростом рабочего давления проницаемость возрастает как следствие увеличения движущей силы процесса при постоянной температуре;

- с ростом температуры селективность разделения остается постоянной. При этом во всем температурном интервале ионная селективность имеет следующий порядок изменений: Na+<K+<Li+

- с ростом рабочего давления селективность разделения возрастает. При этом ионная селективность изменяется в следующей последовательности: Na+<K+<Li+

- селективность разделения подземной воды по ионам не зависит от размера иона, от поверхностной плотности его заряда, от теплоты гидратации иона;

- селективность разделения подземной воды по ионам ярко выраженно зависит от удельной теплоты гидратации. Установленная закономерность описывается аналитическим выражением общего вида:

 = -А*ДЗуд + В*ДЗуд - С

При этом, во всем интервале изменений рабочего давления чем выше удельная теплота гидратации иона, тем выше его селективность.

Результаты графической обработки экспериментальных данных по изменению селективности катионов изученных растворов в зависимости от радиуса ионов (в данном случае катионов) приведены на рисунках 13

Рисунок 13. Зависимость катионной селективности мембранного разделения растворов от радиуса ионов

Последовательность изменения селективности ионов Li +<Na+<К+

Последовательность изменения радиуса ионов К+< Na +<Li+.

Как видно закономерность не наблюдается.

Результаты графической обработки экспериментальных данных по изменению селективности катионов изученных растворов в зависимости от поверхностной плотности заряда ионов (в данном случае катионов) приведены на рисунках 14.

Рисунок 14. Зависимость катионной селективности мембранного разделения растворов от поверхностной плотности заряда ионов.

Последовательность изменения селективности ионов K+<Na+<Li+.

Последовательность изменения поверхностной плотности ионов Li+<Na2+<K+. смесь осмос селективность сточный

Как видно закономерность не наблюдается.

Таблица 10 Характеристика анионов изученных растворов [39]

П/н	Ионы	Радиус ионов,	Поверхностная плотность заряда ионов, Кл/2•	Гидратные числа ионов	Теплоты гидратации ионов Дж/моль	Удельная теплота гидратации
1	F-	1,33	0,0721	1,69	476	281,65
2	Cl-	1,81	0,0389	0,91	351	385,7
3	I-	2,20	0,0263	0,62	280	451,6

Результаты графической обработки экспериментальных данных по изменению селективности катионов изученных растворов в зависимости от поверхностной плотности заряда ионов (в данном случае катионов) приведены на рисунках 15.

Рисунок 15. Зависимость анионной селективности мембранного разделения растворов от удельной теплоты гидратации

Последовательность изменения селективности ионов I- < Cl- < F-

Последовательность изменения удельной теплоты гидратации I- < Cl- < F-

Как видно закономерность не наблюдается.

Как видно, закономерность наблюдается.

Представленные выше рисунки показывают, что ионная селективность исследованных растворов не проявляет конкретной зависимости от размера ионов, от поверхностной плотности их зарядов, от теплоты гидратации ионов. Об этом свидетельствуют несоответствия в последовательностях изменений селективности ионов и их радиусов, поверхностной плотности и теплоты гидратации ионов.

Такая закономерность явно существует между ионной селективностью исследованных растворов и удельной теплотой гидратации ионов (рис.9). Об этом свидетельствует полное соответствие последовательностей изменений селективности ионов и удельной теплоты гидратации их.

Компьютерная обработка полученной зависимости позволил получить ниже следующие аналитические выражения:

= -0,003ДЗуд + 0,116ДЗуд -29,01

= -0,002ДЗуд + 0,038ДЗуд- 41,43

= -0,001ДЗуд + 0,173ДЗуд - 53,41

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяет сделать нижеследующие выводы:

- температура и рабочее давление оказывают существенное влияние на параметры мембранного опреснения подземной воды;

- с ростом температуры проницаемость исследуемой подземной воды увеличивается как следствие снижения вязкости при постоянном рабочем давлений;

- с ростом рабочего давления проницаемость возрастает как следствие увеличения движущей силы процесса при постоянной температуре;

- с ростом температуры селективность разделения остается постоянной. При этом во всем температурном интервале ионная селективность имеет следующий порядок изменений: I- < Cl- < F-

- с ростом рабочего давления селективность разделения возрастает. При этом ионная селективность изменяется в следующей последовательности: I- < Cl- < F-

- селективность разделения подземной воды по ионам не зависит от размера иона, от поверхностной плотности его заряда, от теплоты гидратации иона;

- селективность разделения подземной воды по ионам ярко выраженно зависит от удельной теплоты гидратации. Установленная закономерность описывается аналитическим выражением общего вида:

= -А*ДЗуд + В*ДЗуд - С

При этом, во всем интервале изменений рабочего давления чем выше удельная теплота гидратации иона, тем выше его селективность.

Результаты графической обработки экспериментальных данных по изменению селективности катионов изученных растворов в зависимости от поверхностной плотности заряда ионов (в данном случае катионов) приведены на рисунках 16.

Рисунок 16. Зависимость анионной селективности мембранного разделения растворов от радиуса ионов

Последовательность изменения селективности ионов I- < Cl- < F-

Последовательность изменения радиуса ионов F- < Cl- <I- .

Как видно закономерность не наблюдается.

Результаты графической обработки экспериментальных данных по изменению селективности катионов изученных растворов в зависимости от поверхностной плотности заряда ионов (в данном случае катионов) приведены на рисунках 17.

Рисунок 17. Зависимость анионной селективности мембранного разделения растворов от поверхностной плотности заряда ионов.

Последовательность изменения селективности ионов I- <Cl- <F-

Последовательность изменения поверхностной плотности заряда ионов I- <Cl- <F-.

Как видно закономерность не наблюдается.

3. Охрана труда и безопасность жизнедеятельности

Одним из слагаемых конкурентоспособности предприятия на мировом рынке и привлечения его инвестиций является то, насколько полно оно способно защитить здоровье и жизнь тех, кто трудится на нем. То же самое можно сказать и о государстве в целом. Ответственность за безопасность и охрану труда не может быть заботой только одной стороны. Это результат партнерства государства, работодателя и работника.

Система охраны труда в Казахстане складывается из обучения персонала, многоступенчатой системы ответственности, использования защитных средств, медицинского обслуживания работников. Но, на данном этапе, во избежание несчастных случаев нужны новые подходы по улучшению условий труда. Что бы справиться с проблемой, необходим качественно новый уровень организации труда, поиск инноваций[40].

Прежде всего, нужно направить усилия на формирование культуры безопасного поведения работающих, особенно при работах связанных с повышенным риском. Кроме того, важно углублять и подходы к оценке рисков - одного из наиболее современных инструментов анализа уровня безопасности. Данное направление следует считать одним из важнейших как в теории безопасности и охраны труда, так и в практике работы предприятия.

Деятельность службы охраны труда направлена на создание здоровых и безопасных условий труда, предупреждение и профилактику профессиональных заболеваний, снижение травматизма и аварийности на производстве.

В дипломной работе предусмотрены необходимые мероприятия по организации безопасной работы оборудования и техники в соответствие стандартов, ГОСТов и мер защиты здоровья в законодательно предусмотренных нормативах безопасности и здоровья OHSAS 18.001.

Помещение химической лаборатории, где выполнялись исследования по своему устройству, оснащению, оборудованию и планировке отвечает требованиям строительных норм и правил, санитарных норм проектирования. Помещение лаборатории просторное и светлое, имеет большие окна, обеспечивающие хорошее освещение.

3.1 Характеристика работы с точки зрения ее потенциально опасных и вредных факторов

Основными опасными и вредными производственными факторами являются химические реактивы: кислоты, щелочи, аммиак, гидразингидрат, работа со стеклянной посудой. Данные о веществах приведены в таблице 11.

Таблица 11 Физико- химические, токсические и пожароопасные свойства веществ

Название вещества	Агрегатное состояние	Плотность паров или газов относительно воздуха	Температура вспышки и жидкости	Токсич-ность	ПДК мг/м3	Класс опасности вещества
Гидразингидрат	горючая жидкость	1,03г/см3	730 C	Токсичен	0,1 мг/м3	1
Ацетон	жидкость	0,790-0791 г/см3	200	Малотоксичен	200 мг/м3	4
Калий маргонцевокислый	твердый	2,7 г/см3	110	Токсичен	0,3 мг/м3	2
Едкий натр	твердый	1,829 г/см3	-	Токсичен	0,5 мг/м3	2
Серная кислота	жидкость	1,84 г/см3	2000	Токсичен	0,1 мг/м3	1

При работе с данными реагентами и выполнении химических анализов в лаборатории должны находиться, только необходимые для конкретной работы реактивы, приборы и оборудование, а также комплект защитных средств по ТБ.

3.1.1 Безопасность работы с ацетоном

Ацетон легковоспламеняющаяся жидкость, при контакте с перекисью натрия или хромовым ангидридом загорается со взрывом. Все работы с ацетоном должны проводиться в помещениях с использованием приточно-вытяжной вентиляции. Все оборудование, задействованное в технологических процессах (слива, налива, хранения) должно быть герметизировано. В лаборатории необходимо соблюдать правила защиты от статического электричества. Средства защиты органов дыхания при аварийных ситуациях, задействованных с техническим ацетоном - противогаз марки «А» или «БКФ». Для пожаротушения горящего ацетона используют порошковые огнетушители, песок, асбестовое одеяло, воду и пену. Технический ацетон хранят в стальных, алюминиевых, оцинкованных емкостях или бочках и в стеклянных бутылях в соответствии с правилами хранения огнеопасных веществ[41].

3.1.2 Безопасность работы с гидразингидратом

Гидразингидрат - горючая жидкость, образует взрывоопасные смеси с воздухом и О2, на воздухе при контакте с каталитически активными веществами, имеющими развитую поверхность (песок, земля, асбест, активированный уголь, вата, пряжа, оксиды Сu, Fe, Hg.) склонен к самовозгоранию. Легко воспламеняется от искр и пламени. Емкости могут взрываться при нагревании. В порожних емкостях из остатков могут образовываться взрывоопасные смеси. Горит с образованием токсичных газов (циана, оксидов азота). Над поверхностью разлитой жидкости образуется горючая концентрация паров при температурах окружающей среды, равной температуре вспышки жидкости и выше. Сильно ядовит, раздражает слизистые оболочки, глаза и дыхательные пути, поражает центральную нервную систему и печень, попадая на кожу, вызывают экзему. Опасен при вдыхании (кашель, боль за грудиной, расстройство дыхания, учащение пульса, потеря сознания), попадании на кожу (краснота, сухость, зуд), попадании в глаза (резь, слезотечение). Действует через неповрежденную кожу. Химический ожог. При пожаре и взрывах возможны ожоги и травмы [41].

3.1.3 Безопасность работ с щелочью

Гидроксид натрия -- едкое и коррозионноактивное вещество. Оно относится к веществам второго класса опасности. Поэтому при работе с ним требуется соблюдать осторожность. При попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза образуются серьезные химические ожоги. При контакте слизистых поверхностей с едкой щелочью необходимо промыть пораженный участок струей воды, а при попадании на кожу слабым раствором уксусной кислоты. При работе с едким натрием рекомендуется следующие защитные средства: химические брызгозащитные очки для защиты глаз, резиновые перчатки или перчатки с прорезиненной поверхностью для защиты рук, для защиты тела, химически-стойкая одежда пропитанная винилом или прорезиненные костюмы. ПДК гидроксида натрия в воздухе 0,5 мг/м[41].

3.1.4 Безопасность работ с серной кислотой

Пожаро - и взрывобезопасна. Пары токсичны. ПДК паров в воздухе рабочей зоны - 1 мг/л. При попадании на кожу вызывает сильные ожоги. При попадании в глаза может вызвать потерю зрения. Вдыхание концентрированных паров может привести к потере сознания и тяжёлому поражению лёгочной ткани. При попадании серной кислоты на кожный покров, необходимо немедленно промыть поражённый участок обильным количеством проточной воды, обработать 5 % раствором пищевой соды, доставить пострадавшего в медицинский пункт.

При попадании серной кислоты в глаза, необходимо немедленно промыть глаза обильным количеством проточной воды, промыть глаза 0,5 % раствором пищевой соды, доставить пострадавшего в медицинский пункт [41].

3.2 Индивидуальные средства защиты

Средства индивидуальной защиты должны соответствовать характеру и условиям работы, обеспечивать безопасность труда, отвечать требованиям ГОСТов и других технических стандартов.

Для работы в химической лаборатории в качестве спецодежды используются халаты из различных хлопчатобумажных и льняных тканей. К специальным средствам защиты кожи относятся защитные пасты, мази и кремы. Для защиты рук широко используются рукавицы и перчатки. [42] Для защиты рук от термических ожогов используют рукавицы брезентовые с крагами, рукавицы-вачеги, для защиты от электричества используют резиновые перчатки[43].

В каждой лаборатории на видном месте, должна находиться полностью укомплектованная аптечка первой помощи.

Аптечка индивидуальная АИ-2 предназначена для оказания самопомощи и взаимопомощи в целях предупреждения или ослабления поражения радиоактивными, отравляющими или химическими веществами, а также предупреждения инфекционных заболеваний. Выпускается согласно требованиям[44].

В аптечку входит набор медицинских средств из 5 вложений:

* радиозащитное средство №1 (цистамин 2 упаковки);

* противорвотное средство (этаперазин - 1 упаковка);

* противобактериальное средство №1 (тетрациклин - 2 упаковки);

* радиозащитное средство №2 (йодистый калий - 1 упаковка);

*противобактериальное средство №2 (сульфадиметоксин - 1 упаковка).

Гарантийный срок хранения - 3 года.

Первая помощь при ожогах

1. При ожогах кислотами и щелочами следует:

- пораженное место сразу обмыть большим количеством воды;

- обожженное место промыть нейтрализующими веществами: при ожогах кислотой - 10% раствором соды;

при ожогах щелочью - 3-4% раствором уксусной кислоты или 1-2% раствором соляной кислоты;

в случае появления красноты промыть обожженное место 2% раствором борной кислоты, покрыть обожженный участок марлей, пропитанной смесью равных частей масла растительного и известковой воды.

2. При порезах стеклом с одновременным воздействием кислоты или щелочи, прежде всего, надо промыть рану большим количеством воды и убедиться в том, что в ране нет осколков стекла, затем смыть края раны йодом и перевязать порез.

Первая помощь при поражении электрическим током

Первую до врачебную помощь пораженному током должен уметь оказывать каждый работающий в лаборатории студент. Первая помощь при несчастных случаях, вызванных поражением электрическим током, состоит из двух этапов: освобождающие пострадавшего от действия током и оказания ему первой до врачебной помощи. Освобождение пострадавшего от действия тока. Первым действием должно быть быстрое отключение той части установки, к которой прикасается пострадавший. Если быстро отключить установку нельзя, надо отделить пострадавшего от токоведущих частей.

При этом следует начать оказание соответствующей помощи пострадавшему:

- если пострадавший находиться в сознании, но до этого был в состоянии обморока или продолжительное время находился под током, его следует удобно уложить на постилку, накрыть и до прибытия врача ...