Способы повышения скорости процесса

Ионообменный метод обессоливания и умягчения воды

Метод ионного обмена основан на свойстве некоторых твёрдых тел (ионитов) поглощать из раствора ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода, а аниониты подвижные анионы гидроксила. В качестве катионитов применяют сульфоугли, алюмосиликаты (пермутит, цеолит и др.), в качестве анионитов искусственные смолы, например карбомидные.

Соответственно, процессы ионного обмена подразделяются на Н (Na) – катионирование, например:

Na₂[Кат] + Ca(НСО₃) ↔ Са[Кат] + 2Na₂CO₃

и анионирование, например:

Ан[OH] + HCl ↔ Ан[Cl] + H₂O,

где: [Кат] и [Ан] – не участвующая в обмене матрица ионита.

Поскольку процесс ионного обмена обратим, установление равновесия в системе означает прекращение процесса обессоливания. Поглощающая способность ионита характеризуется его объёмной ёмкостью, равной количеству ионов кальция и магния, которое может поглотить единица объёма или массы ионита, выраженное в граммэквивалентах: г-экв/м³ и   г-экв/кг. От величины обменной ёмкости при данном объёме ионита зависит время рабочего цикла ионитовых фильтров. При насыщении ионита он может быть регенерирован промывкой растворами для Н катионов кислоты, Na катионов хлорида натрия и для анионитов раствором щёлочи. В приведённых выше примерах работы анионитов при этом протекают реакции:

Са[Кат] + 2NaCl ↔ Na₂[Кат] + CaCl₂ и

[Ан]Cl + KOH ↔ [Ан]OH + KCl. 

Полное обессоливание воды обеспечивается её дистилляцией (термическое обессоливание) обычно после того, как вода предварительно очищена с помощью ионитовых фильтров.

Вода постепенно проходит через катионовый и анионовый фильтры и поступает распыляясь в дегазатор, где из неё удаляют растворённый диоксид углерода, кислород и другие газы. Для регенерации катионита в фильтр периодически подаётся кислота или раствор хлорида натрия, для регенерации анионита – раствор щёлочи.

Умягчением называется обработка воды для понижения её жёсткости, т.е. уменьшения концентрации ионов Са⁺² и Mg⁺² различными физическими, химическими и физико-химическими методами.

При физическом методе воду нагревают до кипения, в результате чего растворимые гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в и карбонаты, выпадающие в осадок:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂.

Этим методом удаляется только временная жёсткость.

К химическим методам умягчения относятся фосфатный и известковосодовый, заключающиеся в обработке воды тринатрийфосфатом или смесью гидроксида кальция и карбоната натрия. В первом случае протекает реакция образования нерастворимого трикальцийфосфата, выпадающего в осадок:

3СаSO₄ + 2Na₃PO₄ = 3Na₂SO₄ + Ca₃(PO₄)₂.

Во втором случае протекают две реакции. Бикарбонаты магния и кальция реагируют с гидроксидом кальция, чем устраняется временная жёсткость:

Ca(HCO₃) + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O,

а сульфаты, нитраты и хлориды – с карбонатом натрия, чем устраняется постоянная жёсткость:

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄.

Физико-химический метод ионообменного умягчения воды был описан выше.

Способы повышения скорости процесса

Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:

V = ± ((С₂ – С₁) / (t₂ – t₁)) = ± (∆C/∆t)

где С₁ и С₂ - молярные концентрации веществ в моменты времени t₁ и t₂ соответственно (знак (+) – если скорость определяется по продукту реакции, знак (–) – по исходному веществу).

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H₂ и N₂ требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H₂O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Примеры

Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.

Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.

Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB + . . . →. . .

V = k • [A]^a • [B]^b • . . .

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

3. Температура. При повышении температуры на каждые 10C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t₁ до t₂ изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

(где Vt₂ и Vt₁ - скорости реакции при температурах t₂ и t₁ соответственно; - температурный коэффициент данной реакции).

Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

k = A • e ^–Ea/RT

где

A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль • К) = 0,082 л • атм/(моль • К)];

Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

Энергетическая диаграмма химической реакции.

Экзотермическая реакция			Эндотермическая реакция

А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.

Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.

5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа").