OZNACZANIE ZDOLNOŚCI WPROWADZANIA TLENU DO CIECZY (OC) W WARUNKACH LABOLATORYJNYCH

Wykonali dnia

Akwarium nr 3

1.WSTĘP

Wykonanie tego ćwiczenia ma za zadanie porównanie i ocenę konstrukcji urządzenia służącego do wprowadzania powietrza do akwarium. W warunkach laboratoryjnych próbujemy dokonać oceny zdolności danego urządzenia napowietrzającego do wprowadzania tlenu do cieczy, a następnie obliczymy wskaźnik ekonomicznej efektywności operacji napowietrzania.

W celu oznaczenia zdolności wprowadzania tlenu do cieczy użyliśmy wody wodociągowej odtlenionej.

Aby przygotować wodę odtlenioną napełniamy akwarium wodą wodociągową i pobieramy próbki z użyciem wężyka (aby uniknąć dodatkowego napowietrzania) do butelek z doszlifowanym korkiem. Następnie oznaczamy zawartość tlenu metodą Winklera i obliczamy ilość mg reduktora - siarczynu sodowego, potrzebną do odtlenienia wody, tak aby pozostało 0.5 do 1 mgO₂/l tlenu w wodzie, wg wzoru:

[mg]

gdzie:

a - średnia zawartość tlenu w wodzie wodociągowej [mgO₂/l]

V - objętość odtlenionej wody w akwarium [l]

k - stechiometryczna ilość siarczynu sodowego, odpowiadająca 1 mg usuwanego tlenu

w naszym przypadku k = 8 (Na₂SO₃)

Następnie ważymy na wadze technicznej obliczoną ilość siarczynu sodowego i rozpuszczamy w niewielkiej ilości wody. Roztwór rozlewamy równomiernie w całej objętości akwarium, dokładnie mieszając.

Po kilku minutach ponownie mierzymy zawartość tlenu w wodzie, jeśli ilość rozpuszczonego tlenu w wodzie jest prawidłowa przystępujemy do wykonania pomiarów.

W tym celu włączamy urządzenie napowietrzające i ustawiamy na rotametrze przepływ, w naszym przypadku 50 [l/h].

Pobieramy próbki wody z akwarium po czasie 2, 5, 10, 15, 20, 30 minutach napowietrzania. Wszystkie te próbki utrwalamy i oznaczamy metodą Winklera.

2. ZESTAWIENIE WYNIKÓW I OBLICZENIA

-objętość akwarium:

V = 2.29*5.39*2.7 = 33,3 [l]

Wyniki miareczkowania:

1 - 0.4 cm³ tiosiarczanu sodu (4 mg/l)

2 - 0.4 cm³ tiosiarczanu sodu (4 mg/l)

- średnia zawartość tlenu w wodzie:

a = 2*4 [mg/l]-0.5 = 7.5 [mgO₂/l]

- ilość reduktora:

G = 7.5*33.3*8 = 2[g]

Wyniki miareczkowania po usunięciu tlenu:

1 - 0.4 [cm³] tiosiarczanu sodu zawartość tlenu 0.8 [mg/l]

2 - 0.4 [cm³] tiosiarczanu sodu zawartość tlenu 0.8 [mg/l]

Zawartość tlenu mieści się w przedziale 0.5 do 1 mgO₂/l

Poniżej w tabeli przedstawione są wyniki miareczkowania:

Tabela 1.

Czas napowietrzania [min]	Intensywność napowietrzania
		In = 1.5 [l/l*h]
		Ct [mgO2/l]		tgα
2	2	0,065678776	1,970363
5	2.6	0,102662342	1,231948
10	4	0,203612333	1,221674
15	5	0,293476858	1,173907
20	6.4	0,462144099	1,386432
30	7.2	0,599527655	1,199055

Intensywność napowietrzania jest to stosunek przepływu pompki do objętości akwarium, w naszym przypadku:

I_n = 50l/h / 33.3l = 1.5 [l/l*h]

W celu obliczenia OC stosujemy wzór:

[g O₂/m³h]

gdzie:

2,303 - współczynnik przeliczeniowy logarytmów naturalnych na logarytmy dziesiętne

t_n-t₀ - czas napowietrzania potrzebny do uzyskania zawartości tlenu w wodzie równej c_t [h]

c_n - zawartość tlenu w wodzie w stanie nasycenia w temperaturze wykonywanego pomiaru, dla 19 ⁰C wynosi 9,35 [mg O₂/l]

c₀ - początkowa zawartość tlenu w wodzie po określonym czasie napowietrzania, w naszym przypadku wynosi 0,8 [mg O₂/l]

c_t - zawartość tlenu w wodzie w stanie nasycenia w temperaturze 10 ⁰C i wynosi 11,25 [mg O₂/l]

- mnożnik przeliczeniowy stałej dyfuzji tlenu w zależności od temperatury oznaczenia na temperaturę 10 ⁰C, w naszym przypadku wynosi 0,845.

Upraszczając wzór:

oraz:

k =

Wzór upraszcza się do postaci:

OC =25,9*tgα*k

Wartość tgα wyznaczmy metodą najmniejszych kwadratów

Poniżej przedstawiony jest wykres zależności

Wykres 1.

Nieliniowość tych punktów pomiarowych spowodowana jest niedokładnością miareczkowania . Na wykresie ponad to znajduje się linia trendu w celu obliczenia linii tgα, które wyniosło 1,2.

Po wstawieniu do wzoru na obliczenie OC, OC =25,9*tgα*k = 26,26

Mając wielkość OC jesteśmy w stanie wyliczyć stopień wykorzystania tlenu z powietrza S

gdzie:

O₂rozp. - ilość tlenu, który rozpuszcza się w cieczy w czasie napowietrzania komory

O₂rozp = OC*V [mg O₂/h]

O₂dost. - ilość tlenu dostarczona do komory wraz ze sprężonym powietrzem

O₂dost = I_n*V*p/100*d_p

I_n - intensywność napowietrzania komory [l/lh]

p - wagowa zawartość tlenu w powietrzu, p = 23,10

d_p - gęstość powietrza, d_p = 1292,8 [mg/l]

Po podstawieniu obu zależności otrzymujemy:

[%]

Po podstawieniu danych otrzymujemy: S = 6,21 %.

Kolejnym parametrem, który należy wyliczyć jest wskaźnik ekonomicznej efektywności operacji napowietrzania E.

[g O₂/kWh]

gdzie:

N - moc silnika urządzenia napowietrzającego [kW], w naszym przypadku N = 0,014 [kW].

Po podstawieniu: E = 62,46 [g O₂/kWh]

3. WNIOSKI

Nieprecyzyjność wyników spowodowana jest zarówno czynnikiem ludzkim (niedokładność odczytu miareczkowania jak i samo miareczkowanie) i błędem wskazania przyrządu. W naszym przypadku ustawienie dokładnie przyrządu na przepływ 50 [l/h] było niemożliwe ze względu na zbyt duże wahania wskaźnika.

Analizując wyniki jesteśmy w stanie stwierdzić że np. stopień wykorzystania tlenu z powietrza jest bardzo niewielki (S = 6,21%). Na pewno można by było poprawić ten parametr stosując dodatkowe przyrządy jakimi są urządzenia mechaniczne, które zwiększają powierzchnię kontaktu powietrza z wodą.

Do porównania otrzymaliśmy wyniki z akwarium o urządzeniu napowietrzającym 20 [l/h], gdzie zdolność wprowadzania tlenu do cieczy jest dwukrotnie mniejsza niż w naszym przypadku. Nasuwa się wniosek że im większa intensywność napowietrzania tym większe OC, a co za tym idzie i wskaźnik ekonomicznej efektywności operacji napowietrzania.

2

---