Не перепутайте навески угля и концентрации растворов!

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 К_л.

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 К_л 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,

Т_пл = 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 G_n – 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 d_n/D от n, где d_n – 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 d_n/D(n) по известной величине n определите d_n/D. В качестве параметра d_n – 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.