21. Каталитические методы очистки газов.

Химические превращения токсичных компонентов в нетоксичные происходят в присутствии катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и яды для катализаторов. Метод применяют для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей.

Каталитическое разложение оксидов азота. Оксиды азота восстанавливаются газом – восстановителем(H2, CO, CH₄) в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов используют различные металлы, которыми покрывают огнеупорные материалы (носители); применяют палладиевый катализатор, нанесенный на оксид алюминия. Температура начала контактирования при восстановлении 400-470 гр. Реакции:

4NO + CH₄ = CO₂ + 2H₂O + 2N₂;

2NO + 2H₂ = N₂ + 2H₂O;

2N₂O + 4CO = N₂ + 4CO₂.

Очистка от оксида углерода. Каталитическая очистка является наиболее рациональной при обезвреживании промышленных газов от CO. Процесс гидрирования оксида углерода на никелевых и железных катализаторах проводят при высоких давлениях и повышенных температурах по реакции:

CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O.

Очистка от диоксида серы. Текхнология каталитической очистки газов от диоксида серы основана на принципе окисления SO₂ и SO₃ нитрозным либо контактным методом.

Существует также метод очистки газа от SO2 с получением сульфата аммония, который можно использовать как удобрение. SO₂ окисляют до SO₃ в присутствии V₂O₅ при 450 –480 гр. Затем при температуре 220-260 гр. вводят газообразный аммиак. Полученные кристаллы сульфата аммония отделяют в циклонах и электрофильтрах.

Задачи.

Задача. Газовая смесь содержит СО2, СО, О2 и N2. При анализе 100 мл смеси методом химического поглощения получены следующие результаты: V_CO2=83,20 мл, V_О2=82,40 мл, V_СО=75,60 мл, V_N2=75,60 мл.

Определите количественный состав смеси (объемный %), если происходит последовательное поглощение газов из смеси, a N₂ не поглощается.

V_общ=83,20+82,40+75,60+75,60=316,80 мл

100-(26,3+26+23,9)=23,8% N₂

(по учебнику: содержание компонентов газовой смеси вычисляют в % об. по формуле: m_a=V_a/V_общ, где Va – объем компонента в анализируемой газовой смели, мл; Vобщ – объем газовой смеси, взятой для анализа, мл. Для N2 у них берется об.% равный 75,6. всего 100мл и 100%. СО2: (100-83,2)/16,8 мл, 16,8об.%. О2: (83,2-82,4)/0,8мл, 0,8об.%. СО: (82,4-75,6)/6,80мл, 6,80об.%. N2: 75,6мл, 75,6об.%.).

Задача. Абсорбция SO2 известковым молоком (Ca(OH)2), израсходовано 0.6 кг SO2. сколько литров известкового молока израсходовано, если концентрация его 10%(масс), а плотность 1,12 г/мл. Реакция:

SO₂ + Ca(OH)₂ = CaSO₃ + H₂O. ν (SO2) = ν (Ca(OH)2) => масса р-ра молока => масса молока => объем молока. Ответ 62 мл.

Задача. Сколько куб. м метана (CH4) можно получить при каталитическом гидрировании 10 куб м промышленного газа, содержащего 15%(объем) CO? Решение. CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O. Находим объем СО. Кол-во молей СО = кол-ву молей СН4=69 моль. V=1500л.

Задача. Cl₂ + 2NaOH -> NaCl + NaClO + H₂O.

mр-ра(NaOH)= плотность*Vр-ра(NaOH). -> масса NaOH -> ню(NaOH).

Cl2 NaOH

1моль 2 моль

Х моль 0,0275 моль

V(Cl2)=х*Vm – это 10%. Vпром газа – это 100%.

Задача. Хроматографический анализ. Xi = Si * 100 / ΣSi. Si=S*k, где k – поправочный коэффициент, S – площадь пика.

1) разбавление ст в. C_A, моль/л. ПДК_А, мг/л. n = C_A’/ПДК_А = (C_A * M_A * 1000) / ПДК_А = [(мг/л) / (мг/л)] = … раз.

2) эффект суммации: если Σ(от 1 до n) (Ci/ПДКi) ≤ 1, то нет вредного воздействия.

3) жесткость воды – содержание миллимолей эквивалента ионов Ca²⁺ или Mg²⁺ или солей в 1л воды.

жесткость: карбонатная = временная, некарбонатная = постоянная. Общая = их сумме.

Ж = ν_э *1000, ν_э=m/M_э

Ж = (m(соли)/(Mэ(соли) * V(H2O))*1000 (ммоль/л). Мэ=M/2 (г/моль) (берется прям по табл менд).

Жпост – растворимые соли Ca и Mg (например CaCO_{3 -} дикарбонат кальция и Na₂CO₃). MgSO4 – сульфат магния.

Жврем – гидрокарбонаты Ca и Mg ( Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ ).

допустимая жесткость питьевой воды – не более 7 ммоль/л.

По титрованию: C1*V1=C2*V2. Ж = ((С1*V1) / V(H2O)) * 1000 [мг-экв/л], V – точечный объем, С – концентрация (измеряется в каких-то н). Например: Ж = ((н*мл)/мл))*1000.

[[Задача. Жесткость некоторого образца воды обусловливается только дикарбонатом магния. При кипячении 0,5 л воды в осадок выпало 14 мг Mg(OH)₂. Чему равна жесткость воды?

Решение 2.

В 1 л воды содержится 0,014/0,5 = 0,028 г Mg(OH)₂,

что составляет 0,028/0,029=0,00096 г-экв или 0,96 мг-экв (29 – эквивалент Mg(OH)₂)

Следовательно, жесткость воды 0,96 мг-экв ]]

Зная, что молярные массы эквивалентов ионов Са²⁺ и Mg²⁺ соответственно равны 20,04 и 12,16 мг/дм³, можно рассчитать общую жесткость воды (в ммоль/дм³): Ж = ([Ca2+]/20,04) + ([Mg2+]/12.16)

4) [H+]*[OH-]=10^(-14) – ионное произведение воды. pH = - lg[H+] = - lg (10^(-14)/[OH-]). Если pH=7 – вода нейтральная, >7 – щелочная, <7 – кислая.

5) Задача. Сколько л 20 % соляной кислоты, плотностью 1,098 г/см³, потребуется для нейтрализации 700л 5 М щелочной сточной воды?

Решение: 1 л раствора имеет массу 1098 г и содержит 1098*0,20=219,60 г HCl, что составляет

C₁V₁ = C₂V₂

700л*5М=Хл*6М

6) Задача. Для очистки ст в от токсичного шестивалентного хрома (K2Cr2O7) в кач-ве восстановителя исп Na2SO3. напишите уравнение реакции и рассчитайте кол-во сульфита натрия, необходимого для полного восстановления 750г шестивалентного хрома.

Решение. Дано: m(K2Cr2O7) = 750 г. Реакция:

K₂Cr₂O₇ + 3Na₂SO₃ + 4H₂SO₄ -> Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O.

(или если др условие:

K₂Cr₂O₇ + FeSO₄ + H₂SO₄ -> Cr₂(SO₄)₃ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

K₂Cr₂O₇ + 3SO₂ + H₂SO₄ -> Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 4H₂O.)

M(K₂Cr₂O₇)=294 г/моль, М(Na₂SO₃)= 126 г/моль

(над K₂Cr₂O₇ написать 750 г, под ним «294г/моль, 1 моль»; над Na₂SO₃ – «x», под: «3 моль, 126 г/моль).

Na₂SO₃ K₂Cr₂O₇

X 750/294=2,55 моль

3 моль 1 моль

X=2,55*3/1=7,65 моль = ν(Na₂SO₃). m=M*ν=963,9 г.

7) CO2+2NH3 = CO(NH2)2 + H20

8) Задача. Чему равна жесткость (в ммоль/л) 0,003 М раствора MgCl₂?

Решение: 0,003 М MgCl₂

0,003 М = 0,003 моль/л = 3ммоль/л

Задача. Рассчитайте минимальный объем (в литрах) 15 % раствора соды (плотность 1,158 г/мл), необходимый для устранения жесткости 100 л природной воды с содержанием гидрокарбонат-ионов, равным 0,61 г/л.

Решение: 1 л раствора имеет массу 1158 г и содержит 1158*0,15=173,7 г Na₂CO₃

C₁V₁ = C₂V₂

100*0,61=Х*173,7

Задача. Диоксид углерода поглощают раствором гидроксида кальция. Решение: Вначале образуется осадок, затем он исчезает. Определите общий объем газа (в литрах, н.у.), израсходованный при образовании 74 г осадка.

(правая часть неправильная. Верно: CaCO3+H2O).

Задача. Смесь бромидов натрия и калия применяют в медицине как успокоительное средство. Найдте число бромид-ионов, поступивших в организм после приема 10 мл раствора, содержащего по 30 г бромида натрия и бромида калия в 1 л.

ν=30/103=0,29 моль NaBr

ν=30/119=0,25 моль KBr

[Br]^-_общ=0,29+0,25=0,54 моль/л

0,54 моль – 1000 мл

Х – 10 мл

число Br^-=5.4*10^-3=32.5*10²⁰

9) Задача. Цинковый купорос: ZnSO₄*7H₂O. Сколько кг купороса нужно взять для приготовления 0,05% раствора из расчета применения 400 л/га для обработки 10 га земли?

Всего р-ра надо 4000 л = Vр-ра. => V(ZnSO₄*7H₂O)=Vр-ра*0.0005=2л.

ν=V/Vm=2(л)/22,4(л/моль)=0.089 моль. m= ν*M.

Задача. Дисбаланс азота 30 кг/га в год. Какое кол-во удобрения в виде натриевой селитры NaNO3 необходимо ввести в почву для сбалансирования этих компонентов?

Решение. В NaNO3 содержится 16,5% N (M(N)/M(NaNO3)*100%). M(N)=14 г/моль. ν необх(N)= 30000/14=21423 моль – 16.5%

X моль - 100%

X=2143/16.5*100=129879 моль. m(NaNO3)=M(NaNO3)*x=11039 кг.