ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Составы многокомпонентных систем

Наиболее важной характеристикой раствора является его состав. Он отражает и качественную (из каких компонентов раствор состоит), и коли­чественную (в каких концентрациях компонент содержится в растворе) стороны раствора. Имеется несколько способов выражения концентраций раствора.

Концентрацией раствора называется отношение количеств (масс, объемов) растворенного вещества и раствора или растворителя.

Известны следующие способы выражения их концентраций: процент­ная, дольная, молярная, моляльная, нормальная, титр.

Процентный способ выражения концентраций указывает, какой про­цент растворенного вещества находится в растворе. При этом различают массовую и объемную процентные концентрации.

Более распространена массовая процентная концентрация, которая обычно специально не оговаривается. Так, 5%-ный водный раствор пова­ренной соли означает, что он содержит 5 г. хлористого натрия в 100 г. рас­твора, а вода в нем составляет 95 г. Эту же массовую концентрацию можно выразить в долях массы, приняв общее количество раствора за единицу. В рассматриваемом примере доля поваренной соли составляет 0,05.

Массовая доля С i-го компонента в растворе, содержащем к компо­нентов, определяется по формуле:

Ci = gi/(g1 + g2 +-+ gk), (1.63)

Где g1,2,...k - количество компонента, выраженное в граммах, килограммах и других единицах массы.

Массовая процентная концентрация используется при определении химического состава жидких и твердых веществ, при составлении матери­альных балансов технологических процессов, при технологических расче­тах в ряде основных отраслей промышленности (горнодобывающей, ме­таллургической, химической).

Объемные соотношения компонентов раствора выражают в объемных процентах или в объемных долях. Этот способ выражения концентраций применяют в отдельных случаях к жидким растворам или газовым смесям. Так, градусы крепости водно-спиртовых смесей выражают объемный про­цент спирта в растворе, состав воздуха по основным компонентам (азот, кислород и др.) также выражают в объемных процентах.

Объемная доля ф i-го компонента определяется по формуле: ф = V/(V + V +-Vk), (1.64)

Где V1,2,.k - объемы компонентов.

Для перехода от массовых к объемным концентрациям и наоборот необходимо использовать соотношение:

Gi = Pi V, (1.65)

Где рі - плотность /-го компонента.

В экологии и в некоторых других науках концентрации выражают как количество массы растворенного вещества в единице объема (г/л, г/м и т. д.) или в единице массы раствора либо растворителя (мг/кг, г/т и т. п.). В таких единицах выражают, в частности, предельно допустимые концен­трации, выбросы и сбросы веществ, загрязняющих атмосферу, воду, почву, а также концентрации элементов при их незначительном содержании в ру­дах (например, 5 г/т золота в золотоносной породе).

В микроэлектронике и производстве сверхчистых материалов концен­трации примесей выражают числом их атомов, приходящихся на 1 млн (ррт) или 1 млрд (ppb) атомов основного вещества. Иногда в ррт выражают количество объемных частей загрязнителя на миллион объемных частей газовых выбросов, т. е. объемную долю, взятую от миллиона.

Массовые и объемные концентрации просты для усвоения, однако не­удобны в химических и физико-химических расчетах, где необходимо учи­тывать мольные и эквивалентные количества реагирующих веществ. В этом случае предпочтительнее выражение концентраций в мольных долях или в мольных процентах.

Мольная доля i-ro компонента равна отношению числа его молей n к сумме молей (n1+n2 + ... + пк) всех к компонентов раствора. Она определя­ется по формуле:

N/ = П//(П1 + П2 +■■■+ Пк ); (1.66)

П/ = g/M, (1.67)

Где Мі - молекулярная масса i-ro вещества.

Мольная масса для идеальных газов может быть выражена также че­рез их давление pi и общее давление смеси Р:

Ni = Pi/(P1 + Р2 + ■+ Рк) = Pi/P. (1.68)

Мольный процент равен 100 Ni. При переходе от мольных долей и мольных процентов к массовым и объемным долям и соответствующим процентам необходимо использовать формулы (1.65) и (1.67). Для газовых смесей, в пределах применимости к ним законов идеальных газов, объем­ные и мольные характеристики состава совпадают, поскольку 1 моль «лю­бого» идеального газа занимает одинаковый объем (22,4 л).

Для водных растворов в общей и аналитической химии, физической химии и в ряде других случаев используют выражение состава через моль­ное или эквивалентное количество растворенного вещества, отнесенное к единице объема или массы раствора или растворителя (молярная, моляль - ная, нормальная концентрации, титр).

Молярная концентрация (молярность) выражается числом молей рас­творенного вещества в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого присутствует 1 моль растворенного вещества, называется молярным. Молярность раствора обычно обозначают буквой М. Если в 1 л раствора содержится 0,1 М вещества, то раствор называют децимолярным, при 0,01 М - сантимолярным и т. д. Молярный раствор по­варенной соли при ее молекулярной массе 58,5 г имеет массовую концен­трацию 58,5 г/л хлористого натрия.

Молярная концентрация зависит от температуры, так как объем рас­твора изменяется вследствие термического расширения. Поэтому часто используют моляльные концентрации, величина которых от температуры не зависит.

Моляльность - концентрация, выраженная числом молей растворен­ного вещества в 1000 г растворителя.

Между молярной долей и моляльностью m i-ro компонента существу­ет соотношение:

N = m/m + 1000/M), (1.69)

Где М - молекулярная масса растворителя.

Нормальная концентрация, или нормальность раствора, выражается числом химических эквивалентов Э вещества, содержащихся в 1 л раство­ра. В свою очередь, Э есть отношение молярной массы вещества к его ва­лентности п.

Раствор, в 1 л которого содержится один эквивалент растворенного вещества, называется нормальным.

Если в 1 л имеется 0,1 экв. вещества, то раствор - децинормальный, при 0,01 - сантинормальный и т. д. Нормальность обозначают буквой п (иногда N). Нормальный раствор серной кислоты (М = 98, п = 2) содержит 49 г/л Н2504, а децинормальный - 4,9 г/л.

Нормальные концентрации очень удобны, так как растворы одинако­вой нормальности реагируют в равных объемах. При разных нормально - стях растворы реагируют в объемах обратно пропорциональных их нор - мальностям.

Для веществ с валентностью равной единице молярные и нормаль­ные концентрации совпадают.

Титр раствора - это количество граммов вещества, содержащееся в 1 мл раствора. Обычно титр обозначают буквой Т. Тогда

T = пЭ/1000. (1.70)

Например, титр децинормального раствора серной кислоты равняется 0,1x49/1000 = 0,0049 г/мл. Титрованные растворы широко применяют в аналитической химии.

Нормальность и титр раствора, как и молярность, зависят от темпера­туры.

Однозначно определить состав многокомпонентной системы можно только в том случае, если она равновесна, т. е. находится в таком состоянии, когда в любой ее части параметры состояния постоянны и одинаковы. Содержание ком­понентов и другие характеристики реальной смеси могут быть оценены лишь с некоторой степенью приближения. Чтобы обеспечить возможность применения математического аппарата к расчетам реальных систем, их значительно упро­щают, подменяя идеальными моделями.

Гомогенную газовую смесь представляют в виде смеси идеальных га­зов, считая возможным применять к ней и к каждому ее компоненту зако­ны идеальных газов. Существует несколько общепринятых способов вы­ражения состава такой смеси. Для расчетов процессов, связанных с изме­нением давления в системе, состав смеси обычно задают в единицах давле­ния.

Согласно закону Дальтона давление газовой смеси P можно подсчи­тать, складывая парциальные давления ее компонентов:

N

P = 2р (1.71)

І = 1

Парциальным давлением /-того компонента называют давление, которое он производил бы при температуре смеси и в том же количестве, если бы один занимал весь объем смеси. Задание состава идеальной газовой смеси набором парциальных давлений ее компонентов равносильно заданию количества (числа молей) каждого компонента в долях от общего количества (числа молей) смеси.

По закону Амага, аналогичному с законом Дальтона, предполагается адди­тивность парциальных объемов:

N

V= ZVi. (1.72)

І=1

Парциальный объем /-того компонента газовой смеси - это объем, кото­рый он занимал бы, находясь в том же количестве при температуре и давлении смеси. Исходя из этого, состав смеси может задаваться парциальными объемами компонентов в единицах измерения объема.

Необходимо помнить, что понятия парциальных давлений и объемов являются математическими абстракциями. Каждый компонент газовой сме­си, находящейся в состоянии равновесия, равномерно распределен по всему предоставленному для смеси объему, а его давление равно давлению смеси.

Часто составы смесей задают относительными величинами, используя для этого объемные, молярные и массовые доли или проценты.

Объемная доля i-того компонента ri выражается отношением его парци­ального объема к объему смеси, молярная доля ni - количеством вещества (молей) i-того компонента, отнесенным к количеству вещества (молей) смеси, массовая доля gi - отношением массы i - того компонента к массе смеси:

Rt = Vi/V; Пі = N/N; g = m/m. (1.73)

Численные значения объемных и молярных долей компонентов идеальной газовой смеси одинаковы, так как в равных объемах идеальных газов при ра­венстве температур и давлений содержится одинаковое количество вещества (молей). Массовые доли связаны с объемными и молярными долями соотноше­нием:

GI = г-ц/ц = ПіЦі/ц, (1.74)

Где ц - средняя (кажущаяся) молярная масса смеси, которую подсчитывают по правилу аддитивности:

N

Ц = ХціГі = 1/Ј(g/m). (1.75)

І=1

Очевидно, что

N N N

Sri = Sn - = Eg - = 1. (1.76)

I = 1 i = 1 i = 1

Наряду с долями содержание компонентов смеси выражают в объемных, мо­лярных и массовых процентах.

В практике пылегазоочистки принято состав газа-носителя (воздуха, дымо­вых газов) задавать объемными или массовыми процентами, а содержание вред­ных ингредиентов - массовыми концентрациями на единицу объема выбросов.

Обычная величина концентраций загрязнителей до очистки имеет порядок 10­2 -3 3 -4 3

...10- кг/м, после очистки - 10 кг/м. Предельно допустимые концентрации химических соединений средней токсичности в атмосферном воздухе норми­руются в пределах 10-6...10-9 кг/м3 , а особо опасных веществ (например, канце-

11 3

Рогенов) - 10 кг/м.

Гетерогенные выбросы невозможно даже приближенно рассматривать как равновесные системы. Поэтому свойства газовой среды (дисперсионной фа­зы) и взвешенных частиц (дисперсной фазы) рассматривают раздельно. Для описания характеристик газовой фазы в основном применяется рассмотренное выше приближение смеси идеальных газов, а для дисперсной части - нормаль­ное распределение случайных величин.

Состав взвешенных частиц характеризуют концентрацией и дисперсно­стью. Концентрацию дисперсной фазы чаще всего представляют как массу частиц в единице объема дисперсионной фазы.

Для правильного выбора способов обработки твердых и, в особенности, жидких загрязнителей газовых выбросов важно знать не только их дисперсный, но и химический состав. Ингредиенты загрязнителей могут быть инертны или химически активны к материалу очистного устройства и коммуникаций, к влаге, сорбентам, могут испаряться, возгоняться, разлагаться, воспламеняться при об­работке. Чтобы избежать негативных последствий или непредвиденных ре­зультатов разрабатываемого способа обезвреживания, необходимо иметь информацию о химическом составе загрязнителей и свойствах ингредиен­тов в области параметров, соответствующей условиям их обработки.

Состояние истинных растворов (жидких и газообразных) зависит от двух термодинамических параметров и концентрации. Свойства истинных газообраз­ных растворов (гомогенных газовых смесей) и способы выражения их состава рассмотрены в предыдущих разделах.

Концентрации жидких растворов обычно представляют по одному из двух способов, различающихся тем, что количество отдельных ингредиентов и всей смеси выражают в одних и тех же или разных единицах измерения. По первому способу наиболее употребительны концентрации, выраженные в мас­совых, объемных или мольных долях (или процентах). Они представляют со­бой массу, объем или количество молей растворенного вещества, отнесенных соответственно к массе, объему или количеству молей всего раствора или рас­творителя (для получения процентов результат необходимо умножить на 100). По второму способу наиболее часто пользуются следующими варианта­ми выражения концентрации: моляльностью, т. е. числом молей растворенного вещества в 1 кг растворителя; молярностью (мольностью), т. е. числом мо­лей растворенного вещества в 1 л раствора; нормальностью, т. е. числом грамм - эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора; титрами, т. е. числом граммов (килограммов) растворенного вещества в 1 мл (л) раствора.

В расчетах параметров процессов, протекающих с переменной темпе­ратурой, удобно выражать концентрации моляльностью, мольными или массовыми долями (процентами), поскольку их значения не зависят от температуры. Выражение концентраций ингредиентов их нормальностью облегчает расчеты процессов в системах с химическими превращениями.

Используемые в дальнейшем изложении и расчетах обозначения кон­центраций вещества А в веществе В, выраженных различными способами, приведены в таблице 1.2, а в таблице 1.3 представлены формулы для пере­счета концентраций вещества А в жидкой фазе. Формулы справедливы и для газовой фазы с заменой обозначения "х" на "у". В формулах таблицы 1.3 МА, Мв„ Mmx обозначают мольные массы веществ А, В и их смеси, кг/моль, при этом мольная масса смеси определяется по правилу аддитивности (например, по жидкой фазе Mmx = MAxn + MB(1 - xn); р - плотность смеси, кг/м.

Разбавленные растворы достаточно точно подчиняются законам межфазного равновесия Рауля и Генри. По закону Рауля в равновесном состоянии двухфазной системы парциальное давление пара і - того компонента жидкой смеси над рас­твором пропорционально его мольной доле Хі в растворе:

Рі = ХіРі. шс, (1.77)

Где Рі. нас - давление насыщенного пара і-того компонента в чистом виде при температуре смеси.

Согласно закону Генри, мольная доля і-того компонента пара в растворе при равновесном состоянии двухфазной системы пропорциональна его парци­альному давлению в этой системе:

Хі = yp (1. 78)

Где V - коэффициент Генри.

Коэффициент Генри зависит от физико-химических свойств растворяе­мого газа, растворителя, температуры системы и устанавливается опытным путем.