Equilibrium in the “fibrous material – sodium hydroxide solution” system

Full Text

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.

About the authors

M. K. Kosheleva

Kosygin State University of Russia

Author for correspondence.
Email: oxtpaxt@yandex.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Energy and Resource Efficient Technologies, Industrial Ecology and Safety

Russian Federation, Moscow

M. Z. Tsintsadze

Kosygin State University of Russia

Email: oxtpaxt@yandex.ru

Senior Lecturer, Department of Energy and Resource Efficient Technologies, Industrial Ecology and Safety

Russian Federation, Moscow

O. R. Dornyak

Voronezh State Forestry University named after G.F. Morozov

Email: oxtpaxt@yandex.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Electrical Engineering, Heat Engineering and Hydraulics

Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files