Равновесие в системе «волокнистый материал – раствор гидроксида натрия»

Полный текст

Введение

При расчете процесса экстрагирования различных технологических загрязнений из волокнистых материалов необходимы данные по сорбционному равновесию. Например, в химической технологии отделки наиболее распространенных хлопковых волокнистых материалов важно изучение равновесия в системе «хлопчатобумажный материал – гидроксид натрия», которым воздействуют на объект технологической обработки в процессе мерсеризации (при этом волокнистый материал приобретает блеск, эластичность, повышенную гигроскопичность и др.) [1 – 8].

Экспериментальные исследования и анализ данных по равновесию

Для типовых волокнистых хлопчатобумажных материалов из наиболее востребованных групп тканей проведено изучение и анализ равновесия в системе «материал – раствор гидроксида натрия». При изучении равновесия образцы материала в течение заданного времени находились в непосредственном контакте с раствором гидроксида натрия, затем отжимались и исследовались методом обратного титрования на остаточное содержание гидроксида натрия. Отношение объема раствора к массе образца было не менее 1000, что обеспечивало постоянство концентрации гидроксида натрия, которая составляла 100 кг/м³ [1, 2].

Содержание щелочи в образцах определялось по ее количеству, экстрагированному из образцов. Экстрагирование проводилось в соответствии с ГОСТ 6309–93 и ГОСТ 8205–87. Титрование осуществлялось раствором серной кислоты в присутствии двух индикаторов, так как едкий натр всегда содержит примесь карбоната натрия.

Титрование с фенолфталеином ведет к нейтрализации всего едкого натра и половины карбоната натрия:

$\text{2NaOH}+{\text{H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}\to {\text{Na}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}+{\text{2H}}_{\text{2}}\text{O\hspace{0.17em};}$

${\text{2Na}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}+{\text{H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}\to {\text{Na}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}+{\text{2NaHCO}}_{\text{3}}.$

При титровании с метилоранжем нейтрализуется бикарбонат

${\text{2NaHCO}}_{\text{3}}+{\text{H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}\to {\text{Na}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}+2{\text{CO}}_2+{\text{2H}}_{\text{2}}\text{O\hspace{0.17em}}.$

Количество щелочи на единицу массы образца определяется по формуле

$c^{\text{'}}=\frac{\left(2B_1-B_2\right)kH\cdot \mathrm{0,04}}{m_{\text{в.с}}}$,

где ${с}^{\text{'}}$ – концентрация едкого натра в твердой фазе, кг/кг; $B_1, B_2$ – количество кислоты, использованное на титрование с фенолфталеином, фенолфталеином и метилоранжем соответственно, мл; Н – нормальность титровального раствора кислоты, гэкв/л; k – поправочный коэффициент, учитывающий нормальность раствора кислоты; 0,04 – количество NaOH в 1 мл однонормального раствора, г; $m_{\text{в.с}}$ – масса образца ткани в воздушно-сухом состоянии, г.

Количество карбоната на единицу массы образца, кг/кг, определяется по формуле

${c^{\text{'}}}_{{\text{Na}}_{\text{2}}{\text{CO}}_3}=\frac{2\left(B_2-B_1\right)kH\cdot \mathrm{0,053}}{m_{\text{в.с}}}$,

где 0,053 – количество Na₂CO₃ в 1 мл однонормального раствора, г.

Равновесное содержание щелочи в пропиточном или промывном растворе определялось методом прямого титрования

$c=\frac{\mathrm{0,04}HB\cdot 1000}{V}$,

где В – количество раствора кислоты, мл; с – концентрация едкого натра в растворе, г/л; V – объем раствора едкого натра, мл.

В результате изучения определено время установления равновесия в системе «хлопковый материал – раствор гидроксида натрия» (рис. 1). Очевидно, что оно составляет для суровых тканей 60…180 мин после начала эксперимента. Для каждой контрольной точки обрабатывались результаты нескольких значений концентрации гидроксида натрия в материале.

 

Рис. 1. Кинетика сорбции гидроксида натрия: а – легкой хлопчатобумажной тканью; б – хлопчатобумажной тканью средней плотности; в – легкой тканью 1 и тканью средней плотности 2

 

Проверка результатов на отсутствие грубых погрешностей проводилась с использованием критерия Смирнова–Графса [1 – 3].

Для каждой выборки определялось значение критерия

$\upsilon =\frac{\overline{{с}^{\text{'}}}-{{с}^{\text{'}}}_{\min \left(\max \right)}}{S_c\sqrt{\left(n-1\right)/n}}$, (1)

где $\overline{{с}^{\text{'}}}$ – среднее значение выборки; $S_c$ – среднеквадратичная погрешность отдельного измерения.

$S_c=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\left(\overline{c^{\text{'}}}-{c^{\text{'}}}_i\right)}^2}}{n-1}}$. (2)

Критическое значение критерия $\upsilon$ = 1,41 при числе параллельных наблюдений n = 3 и уровне значимости p = 0,05 [3].

Сравнение значений критерия с его критическим значением показывает, что отсутствуют грубые погрешности результатов, поскольку значения $\upsilon$-критерия меньше критического.

Для определения доверительных интервалов изменения концентрации NaOH в тканях определены величины абсолютных погрешностей $\Delta \overline{{с}^{\text{'}}}$

$\Delta \overline{{с}^{\text{'}}}=t_p\left(n\right)\frac{S_c}{\sqrt{n}}$,

где $t_p\left(n\right)$ – критерий Стьюдента.

При числе параллельных наблюдений n = 3 и уровне значимости p = 0,05 величина критерия Стьюдента составляет $t_{\mathrm{0,05}}\left(3\right)=\mathrm{4,3.}$

Кривые кинетики десорбции гидроксида из мерсеризованных тканей разных групп приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Кинетика промывки (десорбции) гидроксида натрия из легкой ткани (●) и ткани средней плотности (Δ)

 

Заключение

Как видно, значения концентрации щелочи практически ложатся на одну кривую. Сорбционные характеристики хлопчатобумажных тканей в системе «ткань – раствор гидроксида натрия» необходимо учитывать при расчете процесса экстрагирования щелочи после мерсеризации [1, 2, 5 – 8]. Результаты позволяют определить константы равновесия при сорбции и десорбции.

Об авторах

Мария Константиновна Кошелева

ФГБОУ ВО «Российский государственный университет им. А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)»

Автор, ответственный за переписку.
Email: oxtpaxt@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Энергоресурсоэффективные технологии, промышленная экология и безопасность»

Россия, Москва

Марина Зиевна Цинцадзе

ФГБОУ ВО «Российский государственный университет им. А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)»

Email: oxtpaxt@yandex.ru

старший преподаватель кафедры «Энергоресурсоэффективные технологии, промышленная экология и безопасность»

Россия, Москва

Ольга Роальдовна Дорняк

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова»

Email: oxtpaxt@yandex.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники, теплотехники и гидравлики

Россия, Воронеж

Список литературы

Дополнительные файлы