Лабораторная работа 1 – Количественное определение алкалоидов в растительном сырье Термопсиса «Thermopsis Lanceolata».

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 18Следующая ⇒

Cобранная в начале цветения до появления плодов и высушенная трава дикорастущего многолетнего травянистого растения термописа ланцентного «Thermopsis Lanceolata» R. Br., сем. бобовых – Fabaceae.

Методика. Аналитическую пробу сырья измельчают до размера частиц, проходящих сквозь сито с отверстиями диаметром 1 мм. Около 10 г (точная навеска) измельченного сырья помещают в колбу вместимостью 250 мл, прибавляют 100 мл хлороформа и 5 мл концентрированного раствора аммиака, закрывают пробкой и встряхивают на вибрационном встряхивателе в течение 2 часов или оставляют при комнатной температуре на 15 ч, после чего встряхивают еще 30 мин. Хлороформное извлечение фильтруют через вату. 50 мл фильтрата переносят в колбу вместимостью 100 мл и хлороформ отгоняют до объема 1-2 мл. Оставшийся хлороформ удаляют продуванием воздуха. К остатку прибавляют пипеткой 2 мл раствора натра едкого (0, 1 моль/л) и растирают стеклянной палочкой до полного исчезновения комочков, затем прибавляют пипеткой 8 мл воды и перемешивают 2-3 мин. К содержимому прибавляют пипеткой 10 мл раствора хлористоводородной кислоты (0, 1 моль/л), осторожно перемешивают и оставляют на 8-10 мин, затем встряхивают на вибрационном встряхивателе 8-10 мин и фильтруют через тройной бумажный складчатый фильтр диаметром 7 см.

10 мл фильтрата переносят в колбу вместимостью 50 мл, прибавляют 10 мл воды, 2 капли раствора метилового красного и оттитровывают избыток кислоты раствором натра едкого (0, 1 моль/л) до появления желтого окрашивания.

Параллельно проводят контрольный опыт. В колбу вместимостью 50 мл помещают 1 мл раствора натра едкого (0, 1 моль/л), прибавляют 4 мл воды и 5 мл раствора хлористоводородной кислоты (0, 2 моль/л), перемешивают, прибавляют 2 капли раствора метилового красного и оттитровывают избыток кислоты раствором натра едкого (0, 1 моль/л) до появления желтого окрашивания.

Содержание суммы алкалоидов в пересчете на термопсин и абсолютно сухое сырье в процентах (Х) вычисляют по формуле:

(V₁-V₂) * 0, 0244 * 100 * 20 * 100 * 100

Х = ___________________________________,

50 * 10 * m * (100 – W)

где 0, 0244 – количество алкалоидов в пересчете на термопсин, соответствующее 1 мл раствора хлористоводородной кислоты (0, 1 моль/л), в граммах; V₁– объем раствора натра едкого (0, 1 моль/л), пошедшего на титрование контрольного опыта, в миллилитрах; V₂- объем раствора натра едкого (0, 1 моль/л), пошедшего на титрование испытуемого раствора, в миллилитрах; m – масса сырья в граммах; W – потеря в массе при высушивании сырья в процентах.

Тема 11 – Процессы катионирования (2 часа)

Цель: формировать знания по процессам катионирования, используемые в технологии водоподготовки.

Задачи обучения:

- ввести определение по процессам катионирования;

- освоить эффект регенерации катионита;

- формировать мотивацию знаний студентов по Н-катионированию;

- раскрыть преимущества применения противоточных ионитных фильтров.

План проведения занятия:

1. H-катионирование воды.

2. Na-катионирование воды.

3. Схема противоточного ионитного фильтра ФИПр.

4. Схема двухпоточно-противоточного ионитного фильтра ФИПр-2П.

Формы проведения занятия: теоретический разбор занятия проводится методом «Вопрос-ответ»: разделение студентов по группам, каждая из которых задает вопросы другой (если команда с ответом затрудняется при разборе вопроса, ответ задает сама задающая команда). При неправильном ответе, правильный ответ разъясняет преподаватель. Метод «Вопрос-ответ» позволяет правильно формулировать вопросы, выстраивать правильную трактовку ответа.

Литература:

1 Государственная фармакопея Республики Казахстан. 1 том. – Алматы: изд-й дом «Жибек жолы», 2008 - 592 с.

2 Майофис Л.С. Химия и технология химико-фармацевтических препаратов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1964. – 625 с.

3 Альбицкая В.Г., Гинзбург О.Ф., Коляскина З.Н., Купин Б.С., Павлова Л.А., Разумова Н.А., Ралль К.Б., Серкова В.И., Стадничук М.Д. Лабораторные работы по органической химии. Под ред. О.Ф. Гинзбурга, А.А. Петрова. М.: Высш. шк., 1967. – 295 с.

4 А.Е. Агрономов, Ю.С. Шабаров Лабораторные работы в органическом практикуме. М.: Изд. Московского университета., 1971. – 230 с.

5 Бошкаева А.К. Методы определения никотина в табаке и табачных изделиях. – Алматы, 2008. – 56 с.

Контроль (вопросы)

1. Какие процессы используются для умягчения воды?

2. В чем заключается Na-катионирование воды?

3. Как Вы понимаете эффект регенерации катионита?

4. Как осуществляется обработка воды методом H-катионирования?

Методы контроля:

Оцениваются:

- умение формулировать правильные вопросы и ответить правильно на них (25 б);

- анализ теоретического материала по контроль (вопросам) (25 б);

- умение мотивировать знания студентов по определению процессов катионирования (25 б);

- умение конкретизировать примерами (25 б).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Задание 1

Провести аналогию в процессах Н и Na-катионирования воды. Проведение разбора в виде интеллектуальной игры в парах.

В технологии водоподготовки применяются два основных процесса для удаления из воды ионизированных примесей: катионирование и анионирование. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты называют: натрий-катионирование, натрий-катионитный фильтр; H (водород)-катионирование, H-катионитный фильтр; OH-анионирование, OH-анионитный фильтр. Соответственно называется фильтрат, полученный в этих процессах: Na-катионированная вода, H-катионированная вода, OH-анированная вода и т.п. Процессы Na-катионирование имеет самостоятельное значение и используется для умягчения воды, в то время как процессы H- и OH-ионирование реализуются совместно в схемах обессоливания воды.

Н-катионирование может осуществляться в схемах H-Na-катионирования воды. Процессы ионирования воды на водоподготовительных установках реализуются в насыпных ионитных фильтрах раздельного и смешанного действия.

Na-катионирование. Этот процесс применяют для умягчения воды путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, обуславливающие жесткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na²⁺:

2RNa + Ca²⁺ « R₂Ca + 2Na⁺,

(4.6)

2RNa + Mg²⁺ « R₂Mg + 2Na⁺,

(4.7)

где R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.

Остаточная жесткость фильтра при Na-катионировании может быть получена при надлежащих условиях регенерации фильтра на уровне 5 - 10 мкг-экв/дм³, что является определяющим при реализации этого процесса.

Анионный состав Na-катионированной воды остается неизменным, поэтому карбонатная жесткость исходной воды переходит в гидрокарбонат натрия, что можно пояснить реакцией:

Ca(HCO₃)₂ + 2NaR ® R₂Ca + 2NaHCO₃.

(4.8)

Это соединение, попадая с подпиточной водой в котел, превращается в конечном итоге в гидроксид натрия по реакциям:

2NaHCO₃ + H₂O ® Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O,

(4.9)

Na₂CO₃ + H₂O ® 2NaOH + CO₂,

(4.10)

который может инициировать щелочную коррозию.

Неизменность величины щелочности при Na-катионировании является основным недостатком этого процесса, поэтому он может иметь самостоятельное значение только при подготовке воды для подпитки теплосети и добавочной воды для котлов низкого и среднего давлений при сравнительно низкой щелочности исходной воды. Второй недостаток рассматриваемой технологии определяется увеличением солесодержания фильтрата при выражении его в массовых единицах, что связано с эквивалентными массами ионов Na⁺ (23 единицы), Ca²⁺ (20 единиц) и Mg²⁺ (12 единиц). Напомним, что ионный обмен характеризуется эквивалентностью, поэтому из воды удаляются ионы с меньшей эквивалентной массой (Ca²⁺, Mg²⁺), а их место занимает ион натрия с большей эквивалентной массой.

Процесс умягчения при Na-катионировании заканчивается при наступлении проскока жесткости (рисунок 1), после чего истощенный катионит в фильтре надо регенерировать, т.е. восстанавливать его способность к обмену ионами. Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6 - 10% раствора NaCl. Вследствие относительно большой концентрации ионов Na⁺ в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ по реакциям:

Рисунок 1 - Выходная кривая Na-катионитного фильтра

R₂Ca + nNa⁺ « 2RNa + Ca²⁺ + (n - 2)Na⁺,

(4.11)

R₂Mg + nNa⁺ « 2RNa + Mg + (n - 2)Na⁺,

(4.12)

где n - избыток NaCl против его стехиометрического расхода.

Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным избытком (n). При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован лобовой катионита, контактирующий со свежим раствором. По мере прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации будут ухудшаться вследствие повышения концентрации в регенерационном растворе ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, вытесненных из верхних слоев катионита при обеднении регенеранта ионами Na⁺. Аналогичное действие проявляется за счет загрязнения раствора технической NaCl ионами Ca²⁺ и Mg²⁺.

Эффект прироста обменной емкости с увеличением расхода соли при регенерации показан на рисунке 2, из которого следует, что эффект прироста обменной емкости с увеличением удельного расхода более 300 г/г-экв заметно снижается. Поясним, что 300 г NaCl на 1 г-экв вытесняемых ионов жесткости при эквивалентной массе NaCl равной 58.5 г соответствует 300/58.5 = 5.13 г-экв избытка соли, т.е. n = 5.13 г-экв/г-экв. На практике расход соли на регенерацию принимают в пределах 120 - 140 г/г-экв по экономическим и экологическим соображениям, поэтому рабочая обменная емкость (E_р) не достигает значения полной. Ограничение расхода соли позволяет уменьшить ее количество в сточных регенерационных водах, так как непосредственно на вытеснение из катионита 1 г-экв поглощенных ионов расходуется 1 г-экв ионов натрия. Таким образом, в сточных водах будет содержаться для рассматриваемых условий (n = 2.4 г-экв/г-экв = 140 г/г-экв) на каждый вытесненный 1 г-экв ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ - 1.4 г-экв ионов Na⁺ и 2.4 г-экв ионов Cl^-.

Рисунок 2 - Влияние расхода соли на эффект регенерации катионита

Эффект регенерации катионита при выбранном расходе реагента повышается с увеличением продолжительности контакта раствора соли с катионитом, поэтому скорость пропуска регенерационного раствора ограничивают пределами 4 - 6 м/ч при высоте слоя катионита 1.5 - 2.0 м. Скорость ниже 4.0 м/ч не используется по гидродинамическим условиям работы фильтра.

Регенерацию ионита в фильтрах можно проводить несколькими способами, которые отличаются друг от друга направлениями потоков обрабатываемой воды и регенерационного раствора. При совпадении направлений потока воды и регенерационного раствора, подаваемых обычно сверху - вниз, регенерацию называют параллельно-точной, такая регенерация создает невыгодные условия для процесса умягчения из-за распределения ионов Na⁺ и ионов жесткости в слое отрегенерированного материала (рисунок 3, а). На выходе из слоя катионита умягчаемая вода, в которой резко снижена концентрация ионов жесткости, проходит через участки плохо отрегенерированного катионита и поэтому не может глубоко умягчаться. Кроме того, такое обстоятельство может привести к переходу некоторой части ионов жесткости из катионита в воду. При противоточной регенерации регенерационный раствор подается в направлении, противоположном подаче потока обрабатываемой воды, при этом наиболее полно регенерируются выходные (по воде) слои катионита (рисунок 3, б). Это позволяет не только сохранить постоянное значение остаточной концентрации ионов в фильтрате, но и получить фильтрат более высокого качества при сниженных избытках реагента и, следовательно, меньших объемах сточных вод. Эффективная противоточная технология позволяет сократить количество ступеней очистки воды за счет повышения качества фильтрата. К недостатку противоточной регенерации относится усложнение конструкции фильтра, связанное с недопущением перемешивания слоев ионита при подаче раствора или воды в нижнюю часть фильтра.

Рисунок 3 - Характер изменения остаточных концентраций ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в слое катионита и остаточная жесткость фильтрата при прямоточной (а) и противоточной (б) регенерациях

Для сокращения расхода реагентов с использованием параллельно-точной технологии регенерации применяют двухступенчатую схему Na-катионирования, т.е. последовательное включение двух фильтров. Фильтр 1 ст. регенерируется с относительно наибольшем избытком NaCl (n = 1.8 - 2.4), поэтому остаточная жесткость фильтрата получается высокой, на уровне 0.1 мг-экв/дм³. Фильтр 2 ст. регенерируется с 6.5 - 7.5-кратным избытком соли, поэтому остаточная жесткость воды снижается со 100 до 5 - 10 мкг-экв/дм³. Технико-экономические расчеты показали, что, несмотря на увеличение количества фильтров в двухступенчатой схеме, последняя имеет преимущества перед одноступенчатой схемой за счет снижения расхода NaCl при равноценном качестве умягченной воды.

H-катионирование. Обработка воды методом H-катионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Вода за H-катионитными фильтрами содержит избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования - Na-катионированием или анионированием. Обмен катионов при H-катионировании протекает согласно реакциям:

2RH + Ca²⁺ « R₂Ca + 2H⁺,

(4.13)

2RH + Mg²⁺ « R₂Mg + 2H⁺,

(4.14)

RH + Na⁺ « RNa + H⁺.

(4.15)

Выделяющиеся ионы H⁺ реагируют в обрабатываемой воде с гидрокарбонатными ионами:

H⁺ + HCO₃ « CO₂ + H₂O.

(4.16)

Остаточная кислотность фильтрата после завершения реакции (4.16) с учетом равенства эквивалентных концентраций катионов и анионов будет равна:

C_H⁺ = (SАн - С_HCO3^-)_исх = (С_SO4^2- + C_Cl^-)_исх,

(4.17)

что позволяет контролировать полноту обмена ионов при H-катионировании по кислотности и по известным показателям качества поступающей на фильтр воды. При наличии в исходной воде ионов NO₃^- и NO₂^- они также должны быть учтены в расчетной оценке кислотности H-катионированной воды.

Сорбция катионов Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺ ионитом осуществляется в соответствие с расположением этих ионов в ряду селективности (Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺), поэтому в слое H-катионита сверху располагается зона поглощения иона Ca²⁺, ниже - иона Mg²⁺ и далее - иона Na⁺. Эти три зоны по мере истощения H-катионита передвигаются одна за другой по направлению к нижней границе слоя ионита и первым обнаружится проскок иона Na⁺.

В работе H-катионитного фильтра можно выделить два основных периода (рисунок 4):

Полное поглощение всех катионов (абсцисса Oa). Фильтрат имеет кислотность, равную (С_Cl^- + С_SO4^2-)_исх. В точке a наблюдается проскок иона Na⁺.
Появление нарастающей концентрации иона Na⁺. В этот период концентрация иона Na⁺ постепенно возрастает, а кислотность начинает снижаться за счет уменьшения количества вытесняемых ионов H⁺. К моменту достижения начального содержания иона Na⁺ в исходной воде его поглощение прекращается, но происходит обмен в катионите ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ исходной воды на сорбированный катионитом ион Na⁺ до его полного вытеснения. В этот момент (точка E) появляется проскок жесткости.

Рисунок 4 - Изменение качества H-катионированной воды

1 – концентрация Na⁺ в исходном растворе; 2 – жесткость исходного раствора; 3 – концентрация Na⁺ в фильтрате; 4 – жесткость фильтрата; точки: a – проскок Na⁺, b – отсутствие поглощения Na⁺, c – максимум вытеснения Na⁺ из катионита, d – окончание вытеснения Na⁺, e – начало проскока жесткости, f – выравнивание жесткости в фильтрате и в исходном растворе

Параллельно с указанными выше изменениями концентрации катионов кислотность фильтрата после проскока ионов Na сначала уменьшается и достигает нуля, затем появляется возрастающая щелочность, достигающая исходных значений при обмене ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺. Эффект умягчения воды при H-катионировании обычно столь же полный, как и при Na-катионировании.

Работа фильтра до проскока ионов Na⁺ или ионов жесткости зависит от технологической схемы его использования, соответственно изменяется его рабочая обменная емкость при работе до проскока ионов Na⁺ или жесткости.

Для регенерации истощения H-катионита по технико-экономическим соображениям в условиях России используется обычно H₂SO₄ концентрацией 1.0 - 1.5 % (на некоторых установках применяются HCl и HNO₃). Процесс регенерации характеризуется следующими реакциями:

R₂Ca + nH⁺ « 2RH + Ca²⁺ + (n - 2)H⁺.

(4.18)

R₂Mg + nH⁺ « 2RH + Mg²⁺ + (n - 2)H⁺,

(4.19)

RNa + nH⁺ « RH + Na⁺ + (n - 1)H⁺.

(4.20)

Ограничение концентрации раствора H₂SO₄ связано с возможностью выделения на зернах регенерируемого катионита трудно растворимого CaSO₄, т.е. его загипсовывания. Следующим мероприятием для борьбы с загипсовыванием катионита является ограничение времени контакта регенерационного раствора с катионитом, что реализуется на практике увеличением скорости пропуска 1.5 % - ного раствора H₂SO₄ до не менее 10 м/ч.

Расход реагента существенно снижается, а качество фильтрата повышается при применении противоточной регенерации ионитного фильтра, схема которого приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема противоточного ионитного фильтра ФИПр

1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды; 3 – подвод промывочной воды общий; 4 – подвод промывочной воды в нижнее распределительное устройство (РУ); 5 – подвод промывочной воды в блокирующее РУ; 6 – отвод промывочной воды; 7 – подвод регенерационного раствора в нижнее РУ; 9 – подвод регенерационного раствора в блокирующее РУ; 10, 11 – дренаж; 12 – гидрозагрузка; 13 – гидровыгрузка; 14 – подвод воды для взрыхления в среднее РУ; 15 – подвод воды для взрыхления в нижнее РУ

D модель

Конструкция фильтра, изготавливаемого на ТКЗ предусматривает кроме верхнего и нижнего распределительных устройств (РУ), также среднее и блокирующее РУ, расположенные соответственно на глубине 0.3 м и у входной поверхности слоя ионита. Среднее распределительное устройство предназначено для равномерного сбора отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды, подаваемых через нижнее (80%) и блокирующее РУ (20%). Блокирующее РУ служит для подвода раствора реагента или отмывочной воды, используемых одновременно для регенерации и зажатия блокирующего слоя ионита. Взрыхлению подвергается только блокирующий слой ионита, а через 10 - 20 фильтроциклов взрыхляется весь слой.

Промежуточным вариантом между противоточной и прямоточной регенерацией является двухпоточно-противоточная регенерация, осуществляемая в фильтре по схеме, приведенной на рисунок 6. Среднее РУ заглублено в ФИПр-2П на 0.6 и 1.0 м соответственно для фильтров, загруженных анионитом или катионитом. Конструкция двухпоточно-противоточного фильтра позволяет использовать его как в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации, так и в режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации. При любом режиме работы в выходном слое ионита осуществляется принцип противоточного ионирования, при котором обрабатываемая вода перед выходом из фильтра соприкасается с хорошо отрегенерированными слоями ионита, благодаря чему обеспечивается высокое качество фильтрата при сокращенных расходах реагентов на регенерацию ионита. При работе фильтра в режиме двухпоточного фильтрования взрыхлению подвергается весь слой ионита, при однопоточном фильтровании - только верхний слой, а взрыхление всего слоя производится через 10 - 20 фильтроциклов. При работе фильтра в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации 40 % раствора реагента пропускается через верхний слой ионита, 60 % - через нижний. При режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации весь регенерационный раствор проходит через оба слоя ионита сверху - вниз.

Рисунок 6 - Схема двухпоточно-противоточного ионитного фильтра ФИПр-2П:
1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды или отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 3 – подвод исходной воды или отвод отработанной воды; 4 – подвод регенерационного раствора; 5 – подвод воды для взрыхления; 6 – подвод регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 – подвод отмывочной воды; 8 – отвод отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 9 – дренаж; 10 – подвод взрыхляющей воды, дренаж

Значения оптимального удельного расхода серной кислоты в зависимости от содержания в исходной воде Cl^- и SO₄^2- ионов, определяющих величину противоионного эффекта, показаны на рисунок 7 применительно к H-катионитным фильтрам 1 ст. при параллельном токе и противотоке. Помимо экономии серной кислоты, при противотоке снижается содержание ее в сбросных регенерационных водах, что облегчает нейтрализацию сбросов.

Рисунок 7 - Удельный расход серной кислоты на регенерацию H-фильтров 1 ступени:
1 – параллельный ток; 2 – противоток

Теоретические представления о динамике ионного обмена в совокупности с обработкой экспериментальных данных позволили обобщить влияние различных факторов на время наступления проскока заданных концентраций примесей в ионитных фильтрах. Расчетное уравнение для выходной кривой ионирования на катионите КУ-2-8 имеет вид:

(4.21)

где t - время фильтрования до заданной величины проскока, ч; w - скорость фильтрования, м/ч; d - диаметр зерна катионита, мм; h_сл - высота слоя катионита, м; j = C_ф/C₀; b = C₀/q₀; C₀ и C_ф - концентрации иона соответственно исходная и в фильтрате; q₀ - концентрация иона, сорбированного единицей объема катионита.

Тема 12 – Процессы анионирования (2 часа)

Цель: формировать знания по процессам анионирования, используемые в технологии водоподготовки.

Задачи обучения:

- ввести определение по процессам анионирования;

- освоить эффект регенерации анионита;

- формировать мотивацию знаний студентов по ОН-анионированию;

- раскрыть преимущества применения противоточных анионитных фильтров.

План проведения занятия:

1. ОH-анионирование воды.

2. Регенерация анионитов.

3. Схема двухступенчатого химического обессоливания.

Литература:

1 Государственная фармакопея Республики Казахстан. 1 том. – Алматы: изд-й дом «Жибек жолы», 2008 - 592 с.

5 Бошкаева А.К. Методы определения никотина в табаке и табачных изделиях. – Алматы, 2008. – 56 с.

Контроль (вопросы)

1. Какие процессы используются для умягчения воды?

2. В чем заключается ОН-анионирование воды?

3. Как Вы понимаете эффект регенерации анионита?

4. С какой целью применяются трехступенчатые схемы химического обессоливания?

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒