Визначення хлорпоглинаємості і показника, який відображає як хлорується вода

Мета роботи. Визначити хлорпоглинаємість води річки Дніпро і вирахувати показник, який відображує як хлорується вода з дослідних даних.

1 Фізико-хімічні основи процесу

Знезаражування води, тобто видалення з води патогенних біологічних домішок, є постійним заходом, який здійснюється на комунальних водопроводах, станціях по обробці технічних і стічних вод.

Найбільш розповсюдженим методом знезаражування води є хлорування – введення у воду, що обробляється, реагентів, які містять «активний» хлор. «Активний» хлор – це той хлор, який здатний за певного значення рН витісняти еквівалентні кількості йоду з водних розчинів калій іодату.

Хлор може перебувати у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному. Для очищення води застосовують, як правило рідкий хлор. Окрім хлору для хлорування води використовують такі реагенти, що містять «активний» хлор: кальцій(II) хлорид оксид(хлорне вапно) СаСl₂О; хлор(IV) оксидСlО₂; натрій гіпохлорит - вода(1/5) NаСlО∙5Н₂О; кальцій гіпохлорит Са(СlО)₂; органічні хлораміни RNHCl або дихлораміни RNCl₂; неорганічні хлораміни, які утворюються в результаті взаємодії хлору із гідроген азидом(NH₃) або солями амонію.

У водних розчинах хлор гідролізується згідно з рівняння реакції з утворенням гіпохлоритної кислоти НСlО

Сl₂ + Н₂О НСl + НСlО

Гіпохлоритна кислота гідролізується з утворенням гіпохлорит - іону за рівнянням реакції

НСlО Н⁺ + СlО^-

Гіпохлоритна кислота існує тільки в розчині, легко розкладається на світлі та під час нагрівання з видаленням диоксигену(О₂). Солі гіпохлоритної кислоти – гіпохлорити – більш стійкі і частіше використовуються для водоочищення.

Збільшення величини рН призводить до зміни форм активного хлору у напрямку утворення гіпохлорит - іонів:

Сl₂ НСlО СlО^-

У дуже кислому середовищі домінує молекулярний хлор, за рН 5 у максимальній кількості присутня гіпохлоритна кислота, а за рН 10 – гіпохлорит - іони.

Знезаражуюча дія хлору пояснюється взаємодією гіпохлоритної кислоти і гіпохлорит - іонів з речовинами, що входять в протоплазму клітин бактерій (ензимами). Процес знезаражування води хлором протікає у дві стадії: спочатку хлор дифундує через оболонку клітини мікроорганізму, потім вступає в реакцію з ензимами, в наслідок чого вони гинуть.

Перебіг реакцій, пов'язаних з обробкою води хлором (у різних формах) залежить як від умов проведення процесу (дози окисника, рН, тривалості процесу), так і від природи речовин, які окислюються. Зазвичай лише незначна доза хлору, що вводиться у воду, йде на руйнування бактеріальних клітин. Більша частина її йде на реакції з різними органічними і мінеральними речовинами – домішками води. До таких домішок відносяться гумусові речовини, продукти розкладу клітковини і білкових з'єднань, солі заліза (ІІ) тощо.

Кількість хлору, яка поглинається домішками, характеризує хлорпоглинаємість води. Хлорпоглинаємість води представляє собою різницю між кількістю хлору, що вводиться у воду, яка обробляється , і його концентрацією у воді через деякий час (зазвичай 30 хвилин). Час контакту хлору з водою, який необхідний для її дезинфекції, становить від 30 хвилин до 2 годин. Дія хлору особливо сильно проявляється протягом перших 30 хвилин. Якщо після 30-ти хвилинного контакту хлору з водою, протягом тривалого часу концентрація залишкового хлору у воді становить не менше ніж 0,5 мг/дм³, така вода зберігає бактерицидні властивості.

Під час хлорування води відбуваються не тільки окисні реакції, але й реакції заміщення. За здатністю брати участь у реакціях заміщення хлорні реагенти розміщуються в такому порядку:

Сl₂ > НСlО > СlО^-

Необхідну дозу хлору знаходять дослідним шляхом, визначаючи в даних практичних умовах залежність кількості залишкового хлору від кількості хлору, що вводиться під час 30-ти хвилинного контакту.

Зазвичай хлорпоглинаємість річкових та інших поверхневих вод складають 2 – 2,5 мг/дм³ Сl₂. Збільшення хлорпоглинаємості свідчить про забруднення води і можливе погіршення її санітарно-бактерицидних показників.

Наближено необхідну дозу хлору для води поверхневих джерел приймають 2 – 3 мг/дм³, для підземних вод – 0,7 – 1,0 мг/дм³.

Для порівняльної характеристики хлорпоглинаємості різних вод слугує показник, який відображає, як хлорується вода.

обладнання

Бюретки ємкістю 25, 50 см³

Колби конічні ємкістю 250 см³

Колби конічні з притертими пробками ємкістю 250 см³

Піпетки Мора ємкістю 5, 10, 100 см³

Піпетки мірні ємкістю 1, 2, 5, 10 см³

Циліндри ємкістю 100 см³

Фільтрувальний папір

Електроплитка

Розчини

Ацетатний буферний розчин з рН = 4,5

Вода дистильована

Калій йодид, розчин з масовою часткою 10 %

Крохмаль розчинний, розчин з масовою часткою 1 %

Натрій тіосульфат Na₂S₂O₃, розчин з концентрацією 0,01 моль∙екв/дм³ (0,01 н), 0,1 моль∙екв/дм³ (0,1 н)

Хлорна вода із вмістом активного хлору 0,1 мг/см³

Приготування розчинів

1.1 Ацетатний буферний розчин з рН = 4,5

Розчин готують таким чином: 102 см³ 1 М оцтової кислоти (60 г льодяної оцтової кислоти розчиняють в 1 дм ³ води) і 98 см³ 1 М розчину натрій ацетату (136,1 г натрій ацетату СН₃СООNа∙3Н₂О розчиняють в 1 дм³ води) наливають в мірну колбу ємкістю 1 дм³ і доводять до мітки дистильованою водою (попередньо прокип'яченої і охолодженої до 20°С, вільної від карбоніл пероксиду СО₂).

1.2 Калій йодид, розчин з масовою часткою 10 %

Розчин готують таким чином: 10,0 г калій йодиду розчиняють у 90 см³ свіжопрокип'яченої води. Розчин слід використовувати свіжоприготовленим. Розчин зберігають у темному посуді і в темному місці.

1.3 Крохмаль розчинний, розчин з масовою часткою 1 %

Розчин готують таким чином: 1,0 г розчинного крохмалю розмішують з 10 см³ води до отримання однорідної суміші, повільно вливають перемішуючи, в 90 см³ киплячої води і кип'ятять 2-3 хвилини. Розчин фільтрують крізь щільний знезолений фільтр, тричі промитий гарячою водою. Розчин використовують свіжо приготовленим. Розчин зберігають у темному посуді.

1.4 Натрій тіосульфат Na₂S₂O₃, розчин з концентрацією 0,01 моль екв/дм³ (0,01 н), 0,1 моль∙екв/дм³ (0,1 н)

Розчин натрій тіосульфату з концентрацією 0,1 н готують таким чином: 25 г натрій тіосульфату Na₂S₂O₃∙5Н₂О розчиняють у свіжопрокип'яченій і охолодженій дистильованій воді, додають 0,2 г натрій карбонату (Na₂СO₃) і доводять об'єм до 1 дм³.

Розчин натрій тіосульфату з концентрацією 0,01 н готують таким чином: 100 см³ 0,1 н розчину натрій тіосульфату розбавляють свіжопрокип'яченою і охолодженою дистильованою водою, додають 0,2 г натрій карбонату і доводять розчин до 1 дм³ дистильованою водою. Розчин використовують при вмісті активного хлору у пробі більше ніж 1 мг/дм³. розчин зберігають у темному посуді.

1.5 Хлорна вода із вмістом активного хлору 0,1 мг/см³

Хлорну воду отримують на установці (рисунок 1), яка складається з водяної бані 1 (скляний стакан з водою), пробірки 2, електроплитки 3, силіконової або резинової трубки 4, конічної колби ємкістю 1 дм³ 5, скляних трубок 6, резинових пробок 7.

Водяну баню (скляний стакан з водою) 1 розміщують на нагрітій електроплитці 3. У водяну баню ставлять скляну пробірку 2, в яку кладуть невелику кількість МnO₂ і наливають концентровану соляну кислоту. Пробірку закривають гумовою пробкою 7 з отвором, куди вставляється скляна трубка 6, на яку надіта силіконова або гумова трубка 4.

До іншого кінця силіконової або гумової трубки 4 під'єднана скляна трубка 6, що вставлена у гумову пробку 7, яка закриває конічну колбу 5 ємкістю 1 дм³, заповнену дистильованою водою у кількості 1 дм³. Скляна трубка в пробірці  2 встановлюється над хлористоводневою кислотою, а в колбі 5 – на відстані 3-4 см над дном колби.

Під час кипіння води у водяній бані у пробірці 2 відбувається взаємодія МnO₂ з концентрованою кислотою за реакцією:

МnO₂ + 4НС1 = МnO₂ + С1₂↑ + 2Н₂О.

Хлор, який утворюється в процесі реакції, надходить у конічну колбу ємкістю 1 дм³ і поглинається дистильованою водою. Реакція продовжується до тих пір, доки у пробірці буде продовжуватися кипіння, а у конічній колбі ємкістю 1 дм³ будуть виділятися бульбашки хлору. Хлорна вода повинна мати сильний запах хлору. Після чого виключають електроплитку, охолоджують вміст пробірки до кімнатної температури і нейтралізують розчином КІ за реакцією:

2КІ + С1₂ = 2КС1 + І₂↑

Коли у пробірці перестане виділятися І₂, вміст пробірки можна вилити у каналізацію. Концентровану хлорну воду, отриману у конічній колбі ємкістю 1 дм³, переливають у склянку із темного скла і зберігають у темному місці, не допускаючи попадання на розчин сонячних променів. Перед проведенням лабораторної роботи в розчині визначають концентрацію активного хлору у трьох паралельних пробах і визначають середню концентрацію. Після цього розчин розводять у мірній колбі ємкістю 1 дм³ до концентрації ≈ 0,1 мг/дм³. Розчин переливають у склянку ємкістю 1 дм³ із темного скла.

1 – водяна баня; 2 – пробірка; 3 – електроплитка; 4 – силіконова або гумова трубка;

5 – колба конічна ємкістю 1 дм³; 6 – скляні трубки; 7 – гумові пробки.

Рисунок 1 – Установка для приготування хлорної води

Підготовка до виконання роботи

У три конічні колби ємкістю 250 см³ піпеткою Мора вносять 5 см³ або 10 см³ хлорної води, яку розбавляють дистильованою водою до об'єму 100 см³. Дистильовану воду наливають циліндром. В пробах хлорної води визначають концентрацію активного хлору іодометричним методом, титруючи 0,1 н розчином Na₂S₂O₃. Проби хлорної води роблять окремо: спочатку першу, після чого другу, а потім і третю. Визначають середньоарифметичне значення концентрації активного хлору.

У пробах дніпрової води дози активного хлору повинні складати:

варіант А – 1,5; 3; 4,5; 6; 7,5; 9; 15; 30 мг/дм³;

варіант В – 2,5; 5; 7,5; 10; 12; 15; 50 мг/дм³;

варіант С – інші значення за поданням викладача.

Варіанти студентам дає викладач.

Розрахунок проводять на об'єм 100 см³ води, що обробляється , після чого визначають кількість хлорної води, яку необхідно внести у воду, щоб отримати дози хлору (варіант А, В або С).

Якщо концентрація активного хлору більша чи менша ніж 0,1 мг/см³ у хлорній воді, тоді необхідно зробити перерахунок об'єму хлорної води.

Наприклад: концентрація активного хлору у хлорній воді складає 0,13 мг/см³, а необхідно отримати дозу 0,2 мг/100 см³ , тоді кількість хлорної води визначається із співвідношення:

1 см³ хлорної води знаходиться 0,13 мг активного хлору

х см³ хлорної води знаходиться 0,2 мг активного хлору

Таким чином розраховуються та інші об'єми хлорної води згідно з рядом (варіант А, В або С).