Контрольные вопросы и задания

 

1. Назовите несколько областей применения ультрачистой воды.

2. Перечислите основные источники поступления соединений кремния в природные воды.

3. В каком виде кремний содержится в воде?

4. Почему для питания паровых котлов высокого давления недопустимо высокое содержание соединений кремния?

5. Почему в газированной воде концентрация силикатов выше, чем в негазированной той же марки?

6. Как соединения кремния влияют на эффективность обезжелезивания воды?

7. Почему для мембранных методов очистки силикаты считаются «проблемными» соединениями?

8. Опишите принцип работы прибора «Водолей».

9. Почему ультрачистую воду следует использовать свежеприготовленной?

10. Чем, согласно ГОСТ Р 52501–2005, отличаются воды для лабораторного анализа 1-й и 2-й степени чистоты?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ КАТОЛИТА

В ПЕРЕСЧЕТЕ НА NaOH

 

Цель: освоить титриметрический метод определения массовой концентрации католита, получаемого на электролизной установке СТЭЛ, и выявить факторы, влияющие на основные параметры ее работы.

 

8.1. Теоретические сведения

 

Самым известным и распространенным способом обеззараживания в России является хлорирование. Его популярность связана с тем, что он обеспечивает микробиологическую безопасность в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия. Между тем способ имеет множество недостатков, в частности, хлорированные сточные воды токсичны для гидробионтов, поскольку хлор образует хлорпроизводные с другими химическими веществами, которые не удаляются традиционными методами дехлорирования, накапливаются в водных объектах, поступают в питьевую воду, являются потенциальными мутагенами и канцерогенами. Эти обстоятельства побуждают к поиску более безопасных для человека методов обеззараживания.

Наиболее безопасным, малотоксичным и простым в эксплуатации является обеззараживание хлорсодержащими растворами электролиза раствора поваренной соли, получаемыми на месте потребления. Технологически получение таких растворов возможно двумя путями: с диафрагменным мембранным разделением межэлектродного пространства и без мембраны. В первом случае вырабатывается молекулярный хлор (в анодной камере), каустик и водород, во втором − гипохлорит натрия и водород. Конструкции, принцип работы и основы расчета элетролизеров подробно описаны в работе [12].

Схема бездиафрагменного электролизера приведена на рис. 8.1. В нем совмещено образование хлора и его взаимодействие со щелочью для получения гипохлорита натрия.

 

Рис. 8.1. Схема движения ионов при электролизе раствора NaCl

 

При электролизе раствора NaCl в электролизере без диафрагмы на аноде идет разряд ионов хлора:

 

.                                              (8.1)

 

Выделяющийся хлор растворяется в электролите с образованием хлорноватистой и соляной кислот:

 

                                      (8.2)

 

или

 

.                                   (8.3)

 

На катоде происходит разряд молекул воды

 

.                                   (8.4)

 

Атомы водорода после рекомбинации выделяются из раствора в виде газа, оставшиеся же в растворе ионы ОН- образуют возле катода с ионами Na+ щелочь. При перемешивании анолита с католитом происходит взаимодействие хлорноватистой кислоты со щелочью с образованием гипохлорита натрия, т. е.

 

.                             (8.5)

Если все количество щелочи, образующейся на катоде, будет поступать к аноду, то процесс электролиза протекает только с образованием раствора гипохлорита натрия, который затем вводится в обрабатываемую воду для обеззараживания.

В последние годы все большее распространение получают диафрагменные электролизеры. Примером такого электролизера может служить проточный электролитический модульный элемент ПЭМ.

Простейшая технология обработки воды в проточных диафрагменных реакторах состоит в одновременном синтезе приблизительно равных объемов электрохимически активированных растворов: католита и анолита – соответственно катодно и анодно обработанной воды или раствора. Достоинство реактора в этой технологии проявляется в возможности при минимальных затратах энергии, при возможно большей производительности и возможно меньшей минерализации исходного раствора или воды получить максимально возможные значения окислительно-восстановительного потенциала анолита при минимальном значении его рН, а также минимально возможные значения окислительно-восстановительного потенциала католита при максимальном значении его рН.

Электрохимически активированный анолит обладает окислительной активностью в физико-химических взаимодействиях, самопроизвольно снижающейся во времени. Электрохимически активированный анолит в зависимости от величины рН и каталитической активности, определяемой технологией получения, подразделяется:

– на анолит А с рН менее 5 (кислый анолит); 

– анолит нейтральный АН с рН от 5,5 до 6,5; 

– анолит нейтральный АНК с рН от 6,5 до 7,5.

Электрохимически активированный католит обладает восстановительной активностью в физико-химических взаимодействиях, самопроизвольно снижающейся во времени. Католит в зависимости от величины рН и каталитической активности, определяемой технологией получения, подразделяется

– на католит К, имеющий рН выше 9,0 (щелочной католит);

– католит нейтральный КН, имеющий рН от 5,5 до 9,0.

Анолит А с рН менее 5,0 производится в установках типа СТЭЛ-АК посредством анодной обработки исходного водного раствора хлорида натрия в анодной камере элемента ПЭМ-3 при переносе основной доли тока через диафрагму встречным движением ионов хлора и натрия. Практически в качестве исходного используют раствор хлорида натрия в питьевой воде в концентрации не более 0,5 г/л или пресную питьевую воду без каких-либо добавок. В процессе синтеза перепад давления на диафрагме может находиться в пределах от 0 до 0,2 атм.

 Анолит АН с pH от 6,0 до 7,5 производится в установках типа СТЭЛ-АН посредством анодной обработки исходного раствора хлорида натрия концентрацией от 0,5 до 5,0 г/л при переносе основной доли тока через диафрагму ионами гидроксила в направлении от катода к аноду. Давление в анодной камере в процессе синтеза превышает давление в катодной камере на 0,2–0,6 атм.

Анолит АНК с рН от 6,5 до 7,8 производится в установках типа СТЭЛ-АНК (рис. 8.2) катодной обработкой исходного раствора хлорида натрия концентрацией от 0,5 до 5,0 г/л при переносе основной доли тока встречным движением ионов натрия и хлора, последующим отделением части полученного щелочного католита и газообразного водорода и завершающей анодной обработкой католита с растворенным водородом при переносе основной доли тока встречным движением ионов натрия и хлора. Давления в катодной и анодной камерах в процессе равны или незначительно отличаются (не более чем на 0,2 кгс/см²). Данная технология получения анолита АНК является наиболее простой и не требует применения в установках СТЭЛ специальных систем защиты от выделения газообразной смеси оксидантов в переходные периоды работы установки (запуск, остановка, изменение режима), что позволяет эксплуатировать установки СТЭЛ-АНК в непроветриваемых или слабо проветриваемых помещениях медицинских учреждений.

 

Рис. 8.2. Схема получения анолитатипа АНК из разбавленного (1–3 г/л) раствора хлорида натрия в режиме прямотока в элементе ПЭМ-3	Рис. 8.3. Общий вид установки:  1 – пластмассовый корпус; 2 – втулки быстроразъемных гидравлических соединений; 3 – гнездо для подключения источника питания; 4 – источник питания

 

В работе [13] экспериментально доказана возможность использования анолита, получаемого на установках СТЭЛ, для обеззараживания сточных вод на местных (локальных) очистных сооружениях. Установлено, что при концентрации в сточной воде дозы остаточного хлора 1,5–2,0 мг/л и контакте его со сточной водой в течение 30 мин анолит обеспечивает более высокий обеззараживающий эффект, чем хлорная известь.

Установки СТЭЛ – это технические системы для получения электрохимически активированных растворов – анолита и католита. В качестве исходного раствора для синтеза электрохимически активированного анолита и католита могут использоваться растворы различных солей щелочноземельных металлов или пресная (питьевая) вода.

Основной частью установки СТЭЛ КОМПАКТ (рис. 8.3) является электрохимический реактор, который представлен одним проточным электрохимическим модульным элементом (ПЭМ-3).

 

 

Рис. 8.4. Схема подключения установки при получении анолита типа А и католита типа К: 1 – установка СТЭЛ КОМПАКТ; 2 – шланг подачи исходного раствора в установку; 3 – вспомогательный шланг (для подачи исходного раствора в установку); 4 – шланг выхода анолита А; 5 – шланг выхода католита К; 6 – емкость с исходным раствором; 7 – емкость для сбора анолита А; 8 – емкость для сбора католита К; 9 – гнездо электропитания установки,10 – источник питания

 

Электрохимический реактор размещен в компактном пластмассовом корпусе. На боковой поверхности корпуса расположены втулки быстроразъемных гидравлических соединений для подключения внешних гидравлических линий, а также гнездо для подключения выносного источника питания. Источник тока и набор гидравлических линий в виде гибких поливинилхлоридных и силиконовых шлангов, которые входят в комплект установки, позволяют получать желаемые растворы – анолит А и католит К при концентрации хлорида натрия в исходном растворе 0,5–2,5 г/л.

 

8.2. Экспериментальная часть

 

Схема лабораторной установки. Основные элементы лабораторной установки показаны на рис. 8.4.

 

Порядок выполнения работы

1. К разъемам гидравлических соединений «К1» и «А2» присоединить шланг с тройником, к которому подключить шланг подачи исходного раствора в установку. Другой конец шланга соединить с емкостью с исходным солевым раствором, имеющей пневматический нагнетатель.

2. К разъему гидравлического соединения «А1» присоединить шланг выхода анолита А, а к разъему гидравлического соединения «К2» присоединить шланг выхода католита К. Опустить концы шлангов в емкости для сбора анолита и католита.

3. Обеспечить подачу солевого раствора в установку пневматическим нагнетателем. Убедиться в наличии протока жидкости по всем шлангам и включить подачу электропитания при помощи тумблера на корпусе установки. Признаком работы установки будет являться наличие газовых пузырьков в выходном шланге.

4. Засечь время  , мин, за которое израсходуется солевой раствор от верхней до нижней риски объемом  , равным 100 мл, и определить производительность установки по католиту  , мл/мин, по формуле

 

.                                                (8.6)

 

5. После получения необходимого количества католита выключить электропитание установки при помощи тумблера. Прекратить подачу раствора в установку.

6. С помощью кондуктометра (прил. 6) определить ОВП, мВ, католита и концентрацию NaCl в исходном растворе  .

7. С помощью рН-метра (прил. 7) определить рН католита.

5. Перенести 5 см³ католита пипеткой в мерную колбу вместимостью 250 мл. Добавить в католит дистиллированную воду до метки, тщательно перемешать.

6. Отобрать 50 см³ разбавленного раствора католита в коническую колбу.

7. Добавить в колбу 2–3 капли фенолфталеина и оттитровать ее содержимое раствором соляной кислоты до полного обесцвечивания раствора.

8. Массовую концентрацию католита в пересчете на NaOH  , г/дм³, вычислить по формуле

 

                                (8.7)

 

где   – среднее арифметическое из объемов раствора соляной кислоты концентрации точно 0,1 моль/дм³, израсходованных на титрование, см³; 0,004 − масса гидроокиси натрия, соответствующая 1 см³ раствора соляной кислоты концентрации точно 0,1 моль/дм³, г.

9. Полученные в ходе лабораторной работы результаты занести в таблицу экспериментальных данных (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Экспериментальные данные

 

 

10. Средствами MS Excel построить графики зависимостей  ;  ;  ;   и  , при этом описать характер полученных закономерностей, добавить линии тренда и сравнить их с паспортными.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

 

1. Опишите химические свойства анолита и католита.

2. Что произойдет при смешивании анолита с католитом? Приведите уравнение химической реакции.

3. Какие изменения произойдут, если для установки СТЭЛ вместо исходного раствора хлорида натрия взять хлорид калия?

4. Назовите несколько (3–4) тривиальных названий гидроксида натрия.

5. Перечислите возможные области применения католита, получаемого на установках СТЭЛ.

6. Каков механизм получения католита на установках СТЭЛ?

7. С чем связано изменение показателей рН, ОВП и ЭП электрохимически активированных растворов с течением времени?

8. По каким показателям отличаются электрохимически активированные растворы, получаемые на установках СТЭЛ?

9. Почему в безмембранном электролизере нельзя получить электрохимически активированные растворы?

10. В чем отличие растворов, получаемых в электролизерах с диафрагменным мембранным разделением межэлектродного пространства и без мембран?

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ АКТИВАЦИИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

УФ-СПЕКТРОСКОПИЕЙ

 

Цель: средствами УФ-спектроскопии доказать изменение физических свойств питьевой воды после ее электроактивации.