Отметьте время t0. Начинается адсорбция МО на поверхности пор гранул угля. Растворы периодически осторожно помешивайте вручную так, чтобы не повредить гранулы угля. Иначе в растворах появится трудно оседающая угольная муть.
7. Для построения выходной кинетической кривой и для определения времени наступления адсорбционного равновесия раствор с углем в стаканчике № 3 через каждые 15 минут осторожно заливайте в кювету с l = 0.5 см и измеряйте его оптическую плотность D. Следите, чтобы при измерении D в растворе не было заметно мути угля. Затем раствор из кюветы возвращайте обратно в стаканчик до следующего измерения через 15 минут. Измерения продолжайте до тех пор (около часа), пока оптическая плотность раствора не перестанет изменяться. К этому моменту в растворе устанавливается адсорбционое равновесие между МО в растворе и МО, адсорбированным на поверхности угля.
8. По найденным D(t) определите с помощью калибровочного графика равновесные концентрации С(t) и вычислите a(t):
, (11)
где m – масса угля в стаканчике № 3, г; V – объем раствора МО в стаканчике, равный 0.05 л (50 мл); С(t) – концентрация МО в растворе через t минут после начала адсорбции, мг/л; a(t) – количество МО, адсорбированного в порах 1 г угля СКТ-3 к моменту времени t, мг / г.
Проверьте, не растеряли ли раствор при переливаниях. Если растеряли, то уточните объем с помощью мерного цилиндра и внесите поправки в вычисления.
Полученные данные представьте в виде таблицы и в виде графика зависимости a(t) от t или С(t) от t (рис.1)
После достижения равновесия в стаканчике № 3 к моменту времени t* можно начинать следующую работу.
9. Очевидно, что после достижения времени t* равновесие устанавливается во всех стаканчиках с растворами и углем.
Измерьте оптическую плотность D* растворов во всех стаканчиках (перед последующим измерением ополаскивайте кювету дистиллированной водой). По плотности D* с помощью градуировочного графика определите равновесные концентрации МО в растворах С* и вычислите соответствующие им равновесные концентрации МО в угле а*:
. (12)
Результаты представьте в виде табл. 2.
По данным табл.2 постройте график зависимости 1/а* от 1/С*. Если адсорбция МО из водного раствора на угле описывается теорией Лэнгмюра (мономолекулярная физическая адсорбция), то построенный график будет прямолинейным. По графику оцените два параметра в формуле Лэнгмюра для угля СКТ-3 и водного раствора МО: а¥ и Кл.
10. Определите форму и средние размеры гранул угля СКТ-3, выстраивая из гранул цепочки по 10 гранул и затем используя обыкновенную линейку.
Таблица 2
Таблица экспериментальных данных и их первичной обработки для определения параметров изотермы адсорбции
| № стаканчика | V, л | С(0), мг/л | D* | С*, мг/л | m, г | a*, мг/г | 1/a* | 1/C* |
| 0.05 | ||||||||
| 0.05 | ||||||||
| 0.05 | ||||||||
| 0.05 | 0.7 | |||||||
| 0.05 | 0.5 |
11. Определите насыпную плотность угля СКТ-3, используя мерный цилиндр и технические весы.
12. Решите задачу 22 из [1]. Значение безразмерного коэффициента адсорбции Г найдете в табл. 24 из той же работы [1].
13. По экспериментально определенным величинам а∞ и Кл постройте график изотермы Лэнгмюра в координатах (а, С). Затем графическим методом (рис.3) определите количество ступеней многоступенчатой установки периодического действия для очистки сточной воды от МО. Исходные данные (величины С0, V, m) возьмите у преподавателя.
Литература
1. Задачи и вопросы по курсу «Техника защиты окружающей среды». – Обнинск, 1997.
Лабораторная работа №4. Изучение геометрии и гидродинамических свойств доочистителя питьевой воды «Здоровье»
Цель работы. В наиболее совершенных бытовых доочистителях питьевой воды в полном объеме осуществляются следующие операции: 1) очистка воды от взвешенных частиц с помощью пористого фильтрэлемента; 2) очистка воды от токсичных катионов и анионов с помощью ионообменных материалов; 3) очистка воды от органических загрязнений с помощью адсорбентов; 4) очистка воды от болезнетворных микроорганизмов; 5) дозирование в очищенную воду полезных веществ, например, фтора и йода.
В данной работе Вы познакомитесь с имеющимся в продаже простым фильтром «Здоровье», в котором осуществляются первая и частично третья из перечисленных выше функций.
Приборы, материалы, реактивы: фильтр «Здоровье», технические весы с разновесом (погрешность 0,01г), U-образный дифференциальный манометр с водой в качестве манометрической жидкости, сушильный шкаф, реометр на расход воздуха до 10 л/мин, мерный цилиндр V = 1 л, термометр, штангенциркуль, линейка, миллиметровая бумага, калькулятор.
Выполнение работы
1. Нарисуйте эскиз фильтра «Здоровье» в целом и отдельно фильтрующего элемента с указанием размеров в масштабе 1:0.5. Размеры определите с помощью штангенциркуля. Десятые доли миллиметра определяйте с помощью нониуса.
Фильтрующий элемент фильтра сделан из полиэтилена.
Полиэтилен – твердый продукт полимеризации этилена, химическая формула [‑ СН2 ‑ СН2 ‑]n; диэлектрик, плотность от 913 до 978 кг/м3, устойчив к растворам щелочей, к соляной, плавиковой и органическим кислотам, физиологически безвреден, имеет низкую газопроницаемость, температура самовоспламенения 400 0C,
Тпл = 102 – 137 °С. Некоторые свойства полиэтилена, изготавливаемого при высоком и низком давлении, приведены в табл.1.
Таблица 1
| Полиэтилен | Мм | r, г/см3 | Тпл, 0С |
| высокого давления | 50 – 800 | 0,913 – 0,934 | 102 – 105 |
| низкого давления | 5*104 – 3*106 | 0,919 – 0,973 | 125 – 137 |
2. Соберите установку для измерения гидродинамического сопротивления фильтра потоку воздуха (рис. 1). В отчете приведите схему установки.
Измерьте гидродинамическое сопротивление Dр мм вод.ст. фильтрующего элемента фильтра «Здоровье» при расходах G, л/мин воздуха от 0 до 10 л/мин. Составьте таблицу (Dр, G) и постройте график зависимости Dр от G воздуха.
Что можно сказать о режиме течения воздуха в порах фильтра при указанных расходах (по виду зависимости Dр от G)?
Пересчитайте данные, полученные для воздуха, на воду в предположении, что и поток воды в порах фильтра ламинарный. Составьте таблицу (Dр, L) и постройте график зависимости Dр от расхода L воды. Вязкости воды (измерьте температуру воды из под крана) и воздуха (измерьте температуру воздуха в лаборатории) приведены в [2] на с.60.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – фильтр «Здоровье»; 2 – реометр для измерения расхода воздуха; 3 – воздуходувка; 4 – автотрансформатордля регулирования расхода; 5 – U-образный манометр
Для всей ли области расходов воды от 0 до 10 л/мин в порах реализуется в действительности ламинарное течение? При ответе на вопрос считайте поры цилиндрическими (это, конечно, идеализация) с диаметром, который будет оценен при выполнении п. 5. Критическое значение безразмерного критерия Рейнольдса для течений в цилиндрических каналах см. в [2], на с. 61. Каков режим течения в порах фильтрующего элемента при рекомендованном в паспорте [3] расходе воды 5.5 л/мин?
Дайте оценку гидродинамического сопротивления фильтра потоку воды при расходе 5.5 л/мин. Можно ли экспериментально измерить эту величину, имея U-образный дифференциальный манометр с водой в качестве манометрической жидкости и с высотой шкалы 100 см?
3. Оцените пористость b фильтрующего элемента, используя знание его объема и разности масс в сухом и в заполненном водой состояниях. Для заполнения пор фильтроэлемента водой пропустите через фильтр литр воды (к сожалению, мы не можем быть уверены в том, что абсолютно все поры фильтроэлемента будут таким образом заполнены водой).
Оцените b фильтроэлемента, используя знание его объема, массы и плотности r полиэтилена. Оцените погрешность результата, связанную с неопределенностью r (от 0.913 до 0.973 г/см3).
Сравните результат с пористостью, полученной по массе сухого и заполненного водой фильтроэлемента. Объем фильтроэлемента вычислите по данным измерения его линейных размеров (см. приложение 2).
4. Сделав допущение о том, что поры в фильтрующем элементе цилиндрические с диаметром d и длиной l, оцените отношение d2/l, используя экспериментальные данные по зависимости Dр от расхода G воздуха через фильтр (см. п.1) и закон Пуазейля, связывающий расход через пору с ее диаметром, длиной и перепадом давления при ламинарном течении:
(1)
где Gn – расход воздуха через одну пору в фильтре, м3/с; d – диаметр цилиндрической поры, м; l – длина поры, м; m – динамическая вязкость воздуха при температуре опыта, Па . с; Dр – перепад давления в потоке газа на концах поры, Па.
С другой стороны, расход газа через пору можно представить через среднюю линейную скорость <u> газа в поре (среднюю скорость газа в пространстве пор):
. (2)
Подставляя (2) в (1), получим выражение
,
, (3)
в котором, в свою очередь, <u> можно выразить через общий расход воздуха через фильтр, его пористость и площадь лобовой поверхности:
, (4)
где s – площадь поверхности фигуры в середине фильтроэлемента (рис. 4), м2; <u> – средняя скорость потока воздуха в поре, м/с; G – общий расход воздуха через фильтр, м3/с.
5. Рассчитайте величину d, сделав очередное допущение о том, что длина пор l в фильтрующем элементе равна толщине этого элемента R2 – R 1.
6. Далее оцените диаметр D сферических частиц порошка полиэтилена, из которого прессованием изготовлен фильтрующий элемент. Для этого используйте полученную выше информацию о среднем диаметре d пор и пористости b фильтроэлемента, а также информацию о геометрических свойствах пористых тел, образованных из шариков при их разной упаковке, данную в работе [4]. Ниже приведены несколько полезных для наших целей таблиц (табл.2, 3) и рисунков (рис. 2, 3) из этой работы.
Таблица 2
Количество контактов n шариков с соседями в правильных упаковках
| Упаковка | n |
| Плотнейшая гексагональная упаковка и равноценная ей кубическая гранецентрированная | |
| Кубическая объемно-центрированная | |
| Простая кубическая | |
| Тетраэдрическая |
Таблица 3
Свойства правильных упаковок шаров
| Параметр | Число контактов, n | ||||
| Пористость b | 0,815 | 0,66 | 0,476 | 0,32 | 0,26 |
| Объем поры в расчете на один шар, в долях D3 | 2,3 | 1,016 | 0,476 | 0,245 | 0,184 |
| Диаметр «горла» поры, в долях D | 1,9 | 0,915 | 0,414 | 0,225 | 0,155 |
| Диаметр полости поры, в долях D | 1,00 | 0,732 | 0,291 | 0,225 |
Примечание: D – диаметр шара.
 |
Рис. 2. Зависимость пористости b фильтрующей среды от числа n контактов сферических частиц порошка, из которого образована данная среда
В каждой реальной (нецилиндрической) поре можно выделить внутреннюю полость, доступ в которую открывают несколько более узких проходов – «горл». Их размеры выражены диаметром вписанной окружности, а размер полости поры – диаметром вписанного в нее шара.
 |
Рис. 3. Зависимость отношения dn/D от n, где dn – средий диаметр «горла» поры
Для определения D сначала с помощью графика зависимости b(n) определите n по известной величине b. Затем с помощью графика зависимости dn/D(n) по известной величине n определите dn/D. В качестве параметра dn – среднего диаметра «горла» нецилиндрической поры – можно использовать диаметр d поры, найденный с помощью уравнения Пуазейля.
7. По изменению массы фильтрующего элемента определите концентрацию задерживаемых фильтром частиц в водопроводной воде. Фильтрацию воды проведите в течение 30 минут при рекомендуемом расходе 5.5 л/мин (а лучше непосредственно определить общий объем очищенной воды). Перед вторичным взвешиванием фильтрующий элемент следует просушить в сушильном шкафу при температуре 50 – 60 0С до постоянного веса. Массовую концентрацию частиц в воде оцените по разности масс фильтра до и после фильтрации и по объему отфильтрованной жидкости.
8. Решите задачу 49 из [2].
9. Прочитайте работу [1]. Составьте схему работы портативного автономного водоочистителя (ПАВ) с комбинированной очисткой воды (механическая фильтрация, адсорбция, ионообменная адсорбция, обеззараживание, удаление избытка дезинфектанта). Укажите особенность обеззараживания воды в ПАВ «Родник» по сравнению, например, с обеззараживанием воды на городском водопроводе. Как происходит обеззараживание воды в ПАВ «Родник»? Каким образом внутренняя среда ПАВ «Родник» защищена от обрастания микроорганизмами?
Приложение 1. Расчет объемов и поверхностей фильтроэлемента
Рис. 4. Схема фильтроэлемента (ФЭ): S – площадь поверхности фигуры в середине ФЭ; V* – часть объема ФЭ, которая не заполняется водой при фильтрации
Справочные данные
; 
; 
Приложение 2. Фильтр регенерируемый бытовой "Здоровье" для очистки питьевой воды (руководство по эксплуатации)
Общий вид и состав изделия:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – фильтрующий элемент; 4 – трубка резиновая соединительная; 5 – прокладка герметизирующая
Назначение
Фильтр «Здоровье» (в дальнейшем – фильтр) предназначен для фильтрационно-адсорбционной доочистки питьевой воды (в основном, холодной) системы централизованного водоснабжения при ее отборе для питья и приготовления пищи.
Установленный в корпусе полимерный фильтрующий элемент обеспечивает удаление из питьевой воды взвешенных частиц (более 0.9 мкм) и адсорбированной на них органики, ядохимикатов, радиоактивных компонентов.
Фильтр легко и быстро присоединяется и снимается с выпускного патрубка водопровода.
Технические характеристики:
- фильтрующий элемент–полимерный фильтрационно-адсорбцион-ный;
- поверхность фильтрации – 50см2;
- пропускная способность 5–6л/мин (DP =0,01МПа=1000 мм вод.ст);
- размер фильтруемых частиц > 1 мкм (см. табл.4).
Таблица 4
Экспериментальные данные зависимости эффективности Э очистки воды от частиц с заданным размером при расходе воды 5–6 л/мин (плотность частиц не указана)
| Размер частиц, мкм | Э |
| 0,56 | 0,70 |
| 0,70 | 0,80 |
| 0,85 | 0,87 |
| 1,00 | 0,99 |
| > 1,00 | 1,00 |
Отфильтровываемые вещества: взвешенные твердые и жидкие частицы (дисперсии и эмульсии органических веществ, гидрогели железа, ядохимикаты, мелкодисперсные радиоактивные частицы).
Ресурс работы фильтрующего элемента 4–6 месяцев при ежедневном потреблении воды 30–40 литров.
