МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з дисципліни

«Хімія води і мікробіологія»

Модуль I

для студентів спеціальності 6.092100

«Споруди та обладнання водопостачання і водовідведення»

(денна та заочна форми навчання)

Кривий Ріг

2009

Укладачі: Мовчан О.Г., канд. хім. наук, доц.

Мовчан В.В., канд. хім. наук, доц.

Вiдповiдальний за випуск: Часова Е.В., канд. хім. наук, доц.

Рецензент: Часова Е.В., канд. хім. наук, доц.

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Хімія води і мікробіологія» для студентів ІІІ курсу спеціальності 6.092100 містять основні характеристики складу, властивостей та класифікації вод, забруднюючих речовин, методики їх визначення, контрольні завдання для самостійної роботи. Наведено список рекомендованої літератури.

РОЗГЛЯНУТО на засіданні кафедри хімії	СХВАЛЕНО на засіданні вченої ради металургійного факультету
протокол №5 від «24» квітня 2009 р.	протокол №7 від «20» травня 2009 р.

1.Основні характеристики природних та стічних вод

1.1. Склад домішок природних та стічних вод

Природна вода являє собою багатокомпонентну, гетерогенну динамічну систему, до складу якої входять гази, мінеральні та органічні речовини. Домішки у воді містяться як у розчиненому, так і в нерозчиненому стані. У вигляді іонів, недисоційованих молекул, колоїдів та зависей в природних водах міститься більше 50 елементів, але лише деякі з них зустрічаються в значних кількостях.

За хімічним складом домішки природних вод поділяють на мінеральні та органічні.

До мінеральних домішок відносяться розчинені в ній гази O₂, N₂, CO₂, NH₃, CH₄, H₂S, а також гази, що потрапляють із стічними водами; дисоційовані на іони різні солі, кислоти, основи.

До органічних домішок відносяться гумусові речовини, які вимиваються з ґрунту і торфу, а також органічні домішки, які містяться у стічних водах. Крім того, поверхневі води збагачуються органічними речовинами внаслідок відмирання водної флори та фауни з подальшими процесами її хімічного та біохімічного розпаду.

Гази. Із розчинених газів в природних джерелах частіше всього містяться О₂, N₂, СО₂, рідше – H₂S, CH₄, NH₃ та інші. Вміст газів у воді багато в чому залежить від їх природи, парціального тиску, температури, складу води та інших факторів.

Розчинений у воді О₂ надходить із атмосферного повітря, а також утворюється в процесі фотосинтезу водоростями органічних речовин (вуглеводів) із неорганічних (карбонатної кислоти, води). Вміст кисню у воді зменшується за рахунок окиснення органічних речовин та споживання його живими організмами при диханні.

Розчинність О₂ у воді залежить від температури та тиску. Залежність розчинності кисню від температури води в чистих поверхневих водоймах при Р=101,325 кПа приведена в табл. 1.1.

Якщо у воді спостерігається різке зменшення вмісту О₂ в порівнянні з нормальним, то це свідчить про її забруднення, а також сприяє посиленню корозії тепломереж, котлів, теплообмінних апаратів.

Вміст в природних водах СО₂, який є ангідридом слабкої карбонатної кислоти, є наслідком біохімічних процесів окиснення органічних речовин у водоймах, ґрунті, а також диханням водних організмів та виділенням СО₂ при геохімічних процесах. Залежність розчинності СО₂ від температури приведена в табл.1.2.

Розчинність карбонатної кислоти у воді (у діапазоні Р від 50,7 Па до декількох сот кілопаскалів) підпорядковується закону Генрі.

В природних водах карбонатна кислота зустрічається в формі недисоційованих молекул Н₂СО₃, розчиненого вуглекислого газу СО₂, гідрокарбонатних НСО₃^- та карбонатних СО₃^2--іонів. Кількісні співвідношення між Н₂СО₃, СО₂, НСО₃^-, СО₃^2- визначаються значеннями рН води (табл.1.3).

Таблиця 1.1

Залежність розчинності О₂ у воді від температури при Р=101,325 кПа

Температура 0С	Розчинність О2 мг/л	Температура 0С	Розчинність О2 мг/л
0	14,6	40	6,5
5	12,8	50	5,6
10	11,3	60	4,8
15	10,1	70	3,9
20	9,1	80	2,9
25	8,3	90	1,6
30	7,5	100	0,00

Таблиця 1.2

Залежність розчинності СО₂ від температури при Р=101,325 кПа

Температура 0С	Розчинність СО2 мг/л	Температура 0С	Розчинність СО2 мг/л
0	3,371	30	1,324
5	2,208	40	1,055
10	2,360	50	0,866
15	2,001	60	0,719
20	1,723	70	0,625
25	1,511	80	0,552

Таблиця 1.3

Співвідношення форм карбонатної кислоти у воді

при різних значеннях рН (t = 25⁰С)

Форма карбонатної кислоти	Значення рН
	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	вміст %
СО2 + Н2СО3	100	95	70	20	2	-	-	-	-
НСО3-	-	5	30	80	98	95	70	17	2
СО32-	-	-	-	-	-	5	30	83	98

Форму існування у воді карбонатної кислоти можна визначити також за константами дисоціації. При цьому необхідно знати їх значення і концентрацію будь-яких двох іонів:

Н₂СО₃ ⇄ Н⁺ + НСО₃^- ; К₁ = =4^.10^-7 (при 25⁰С)

НСО₃^- ⇄ Н⁺ + СО₃^2- ; К₂ = =5,6^.10^-11 ( при 25⁰С)

Форми карбонатної кислоти зустрічаються у зв’язаному та вільному стані. Зв’язана карбонатна кислота входить до складу карбонатів і гідрокарбонатів, тобто знаходиться у воді у вигляді іонів НСО₃^-, СО₃^2-. В природних водах вміст СО₃^2- незначний, що пояснюється малою розчинністю СаСО_3. Тому під зв’язаною (напівзв’язаною) карбонатною кислотою розуміють кислоту, яка входить до складу гідрокарбонатів.

Вміст НСО₃^- у воді зумовлює так званий лужний резерв (лужність) води.

В поверхневих водах вміст вільної карбонатної кислоти (СО₂ + Н₂О) визначається в основному розчинністю СО₂ з повітря і складає до 20 мг/л. В підземних водах вільна СО₂ утворюється внаслідок розкладу органічних речовин, а також біохімічних процесів. Її вміст може досягати 1200 мг/л. Між різними формами карбонатної кислоти у воді існує динамічна рівновага, з якої виходить, що

СО₂ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃ ⇄ Н⁺ + НСО₃^-

НСО₃^- ⇄ Н⁺ + СО₃^2-

2НСО₃^- ⇄ СО₃^2- + СО₂ + Н₂О

Існування НСО₃^- іонів у розчині можливе лише при наявності вільної карбонатної кислоти (СО₂ + Н₂СО₃). Та її частина, яка необхідна для існування у воді гідрокарбонатів називається рівноважною. Надлишкова карбонатна кислота, яка перевищує рівноважну концентрацію, дуже активна і називається агресивною. Вона вступає в реакцію з СаСО₃, розчиняючи його:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О ⇄Са(НСО₃)₂

Якщо вміст вільної карбонатної кислоти у воді менший за її рівноважну концентрацію, тоді частина НСО₃^- розпадається з утворенням додаткової кількості карбонатної кислоти і карбонат-іонів, які взаємодіють з іонами Са²⁺:

Са²⁺ + СО₃^2- → СаСО₃↓

Особливо сприятливі умови для накопичення агресивної карбонатної кислоти створюються в період весняної повені. В цей час через високу каламутність та кольоровість природної води (150-200 град) доводиться вводити підвищені дози коагулянту при невеликій лужності води, внаслідок чого карбонатна рівновага зміщується в сторону утворення надлишку карбонатної кислоти.

Наявність у воді вільної карбонатної кислоти викликає корозію залізобетонних конструкцій, призводить до розчинення карбонатної плівки на поверхні труб та обладнання, погіршує роботу очисних споруд внаслідок посиленого заростання відстійників синьо-зеленими водоростями, а також викликає закупорювання фільтрів бульбашками газу.

Н₂S – сірководень зустрічається переважно у підземних джерелах, де утворюється при відновленні та розкладі деяких мінеральних солей (гіпсу, сірчаного колчедану). В поверхневих водах Н₂S майже не зустрічається, так як дуже легко окиснюється. Його поява в поверхневих водоймах може бути наслідком протікання гнилісних процесів у воді або скиду неочищених стічних вод.

В залежності від значення рН у воді крім газоподібного розчинного сірководню Н₂S можуть існувати також гідросульфід і сульфід іони. Співвідношення між різними формами сірководню при різних значеннях рН води приведено в табл.1.4.

Таблиця 1.4

Співвідношення форм сірководню при різних значеннях рН (t = 25⁰ С)

Форма сірководню	Значення рН
	4	5	6	7	7,5	8	8,5	9	10
	вміст %
Н2S	99,9	98,9	91,8	52,9	26	10,1	3,4	1,1	0,1
НS-	0,1	1,1	8,2	47,1	74	89,9	96,6	98,89	99,9
S2-	-	-	-	-	-	-	-	0,01	0,1

Форму знаходження сірководню можна визначити також за константами дисоціації:

Н₂S ⇄ Н⁺ + HS^- К₁ = = 1,02^.10^-7 (при 25⁰С)

HS^- ⇄ H⁺ + S^2- К₂ = = 1,30 ^.10^-13 (при 25⁰С)

Вміст у воді Н₂S (іноді до 20-40 мг/л) надає їй неприємного запаху, прискорює процеси корозії трубопроводів, викликає їх «заростання» через розвиток сульфобактерій.

Наявність N₂ у природних водах пов’язана з поглинанням його з повітря, відновленням сполук Нітрогену денітрифікуючими бактеріями та розкладом органічних залишків. Розчинність азоту у воді значно менша, ніж кисню, але через високий парціальний тиск азоту у повітрі, в природних водах його вміст більший, ніж кисню.

СН₄ – метан частіше всього зустрічається в підземних водах. Його поява пов’язана з процесами розкладу мікробами рослинних залишків. В поверхневі води СН₄ може потрапляти при скиданні неочищених стічних вод.

Завислі речовини обумовлюють каламутність води. Зависі потрапляють у воду внаслідок змиву твердих частинок верхнього шару ґрунту дощами, внаслідок розливу русел річок. Каламутність води визначається порівнянням досліджуваної проби з еталоном каламутності.

Найменша каламутність води – взимку, коли річки покриті льодом, найбільша – навесні, під час паводка, влітку – під час дощів та росту плаваючих живих організмів.

Підвищення каламутності може бути викликане також утворенням деяких карбонатів, окисненням сполук Феруму(ІІ) киснем повітря, скидом неочищених промислових стічних вод.

Завислі речовини відрізняються за гранулометричним складом, який характеризується гідравлічною крупністю, яка визначається як швидкість осадження частинок зависі U_ос при t = 10⁰С в нерухомій воді (табл.1.5).

Таблиця 1.5