2718
.pdfдостаточную концентрации ионов СО32– в воде, моль/л, при которых можно гарантировать эти показатели ПДК питьевой воды.
Модуль 3. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ
ИСТОЧНЫХ ВОД (34 балла)
3.1.Коллоидные системы и процессы коагуляции
Коллоидное состояние вещества. Дисперсионные и конденсационные методы получения коллоидных систем. Свойства коллоидных систем: диффузия, осмос, рассеивание света. Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Строение коллоидных частиц: агрегат, ядро, гранула, мицелла. Потенциалопределяющие ионы и структура двойного электрического слоя мицеллы: адсорбционный и диффузионный слой. Термодинамический (ε) и электрокинетический (ζ – дзета) потенциалы. Лиофильные и лиофобные коллоиды. Разновидности золей: аэрозоли, гидрозоли, органозоли. Молекулярные коллоиды на основе высокомолекулярных соединений (ВМС). Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Сорбция. Сорбенты. Три вида сорбционных процессов: адсорбция, абсорбция, хемосорбция. Влияние физических и химических условий на положение равновесия: сорбция 
десорбция. Адсорбция на границах: жидкость – газ; жидкость – жидкость; твердое тело – газ; твердое тело – жидкость. Поверхностное натяжение, поверхностно-активные вещества. Удельная адсорбция. Изотермы адсорбции и их описание с помощью закона Генри, уравнений Фрейндлиха, Ленгмюра.
Различные способы коагуляции коллоидных систем: нагревание, замораживание, добавление электролитов (коагулянтов). Порог коагуляции. Изоэлектрическая точка. Коагулирующая способность ионов. Правила коагуляции. Взаимная коагуляция коллоидов. Безреагентные методы коагуляции: электрокоагуляция, электрофорез.
31
Взаимный переход золя в гель. Пептизация осадков. Явление синерезиса.
Мутные и окрашенные воды. Коллоидные загрязнения воды. Обработка воды коагулянтами. Интенсификация процесса коагулирования флокулянтами. Характеристика коагулянтов и флокулянтов, применяемых для очистки воды. Механизм действия коагулянтов. Факторы, влияющие на процесс коагуляции. Определение оптимальных доз коагулянтов и флокулянтов. Коагуляция с подщелачиванием. Сравнение эффективности очистки воды различными коагулянтами.
Пример 1. Гидрозоль HgI2 получен путем смешивания равных объемов 0,0001 н Hg(NO3)2 и 0,0008 н KI. Напишите формулу мицеллы. Какой из двух электролитов: Ba(NO3)2 или K2SO4 будет иметь меньший порог коагуляции гидрозоля?
Решение. При смешивании двух растворов протекает реакция
Hg(NO3)2 + 2KI = HgI2 + 2КNO3.
Йодид ртути (II) труднорастворим в воде, если вначале в объеме раствора его содержание невелико, то вместо осадка будут образовываться коллоидные частицы. По условию задачи исходные растворы реагентов являются разбавленными, поэтому возможно образование в конечном растворе коллоидных частиц – гидрозоля HgI2. В центре мицеллы находится агрегат, представляющий собой совокупность мелких кристалликов йодида ртути (II): [HgI2]m. На поверхности агрегата преимущественно адсорбируются ионы, которые входят в его состав или близки к нему по строению и способны достраивать кристаллическую решетку агрегата. В конечном растворе СHg(NO3)2 = 5 · 10–5 н, СKI = 4 · 10–4 н, т.е. СKI > СHg(NO3)2. Поэтому адсорбироваться будут ионы йода nI–,
так образуется ядро, имеющее отрицательный заряд. В непосредственной близости в адсорбционном слое располагаются противоионы (n – х)К+, все вместе взятое составляет гранулу, ее заряд
32
также отрицательный. Часть противоионов хК+ располагается на более далеком расстоянии от ядра и составляет диффузионный слой мицеллы. Окончательно формула мицеллы будет иметь следующий вид:
{[HgI2]m· nI–(n – x)К+}x– xК+.
Процесс электролитной коагуляции гидрозоля связан со сжатием диффузионного слоя ионов, поэтому коагулирующее действие будут оказывать ионы противоположного знака по отношению к знаку заряда гранулы. Причем это действие тем сильнее, чем выше величина заряда. В нашем случае способствовать процессу коагуляции будут положительно заряженные ионы, поскольку у ионов Ва2+ величина заряда выше, чем у ионов К+, поэтому наименьший порог коагуляции будет у Ba(NO3)2.
Пример 2. Для коагуляции 100 мл раствора некоторого гидрозоля требуется добавить 1 мл 0,01 н раствора K2SO4 или 30 мл 0,01 н раствора KNO3. Чему равны пороги коагуляции этих солей? Какой заряд у гранулы частицы гидрозоля?
Решение. Порог коагуляции – это наименьшее количество электролита (мг-экв/л), вызывающее коагуляцию коллоидной системы. Вначале рассчитаем порог коагуляции для электролита K2SO4: 1 мл 0,01 н раствора K2SO4 содержит 10–2 мг-экв K2SO4. Это количество эквивалентов K2SO4 будет содержаться в 101 мл конечного раствора, значит, порог коагуляции электролитом K2SO4 составит 0,10 мг-экв/л. Выполняя аналогичные расчеты, получаем, что порог коагуляции электролитом KNO3 составит:
10 · 30 · 10–3 · 103 / 130 = 2,31 мг-экв/л.
Отличие порогов коагуляции этих двух электролитов связано с анионной частью (катионная составляющая у них одинакова). Причем наблюдается обратно пропорциональная зависимость между величиной заряда аниона и порогом коагуляции электро-
33
лита. Все это позволяет сделать вывод, что заряд гранулы частицы гидрозоля положительный.
Пример 3. Найдите площадь, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое анилина на поверхности его водного раствора, если предельная адсорбция Г∞ = 6·10–9 моль/см2.
Решение. В условиях предельной адсорбции вся площадь поверхности воды занята молекулами анилина. В расчете на 1 см2 поверхности водного слоя можно записать: n∞ · So = 1, где n∞ – число молекул анилина в 1 см2 насыщенного адсорбционного слоя; So, см2, – площадь, приходящаяся на одну молекулу анилина в поверхностном слое. Значение n∞ можно рассчитать через величину предельной адсорбции и число Авогадро:
n∞ = Г∞ · NA = 6,0 · 10–9 · 6,02 · 1023 = 3,61 · 1015 молекул.
Таким образом, площадь, приходящаяся на одну молекулу анилина в поверхностном слое воды, составит:
So = 1 / n∞ = 2,77 · 10–16 см2.
Задачи
102.В каком порядке следует приливать растворы: а) Na2S и CdCl2; б) AgNO3 и KI, чтобы получить золи с отрицательно заряженными частицами. Укажите метод получения золей и напишите формулы мицелл.
103.Золь AgBr получен смешиванием 25 мл 0,008 н раствора KBr и 18 мл 0,0096 н раствора AgNO3. Напишите формулу мицеллы, укажите метод получения, определите знак заряда гранулы.
104.Напишите формулу мицеллы гидрозоля серебра, полу-
чаемого по реакции: 2AgNO3 + H2 = 2Ag + 2HNO3.
105.При добавлении раствора HCI к раствору Na2S2O3 образуется сера. Напишите уравнение процесса и формулу образующейся в системе мицеллы серы.
106.Золь золота получили восстановлением золотой кислоты таннином по реакции: 2НAuO2 + C76H52O46 = 2Au + H2O + C76H52O49.
34
Определите знак заряда коллоидных частиц и напишите формулу мицеллы, если пороги коагуляции (мг-экв/л) равны: γNaCl = 24; γBaCl2 = 0,35; γCe(NO3)3 = 0,003.
107.Золь гидроксида алюминия получен методом пептизации. Напишите формулу мицеллы золя, если пептизатором является электролит AlCl3. К какому электроду будут перемещаться коллоидные частицы при электрофорезе?
108.Золь BaSO4 получен смешиванием равных объемов Ba(NO3)2 и H2SO4. Напишите формулу мицеллы золя и дайте ответ на вопрос, одинаковы ли исходные концентрации электролитов, если в электрическом поле гранула движется к аноду.
109.Напишите формулы мицелл золей: а) Al(OH)3, стабилизированного раствором AlCl3; б) SiO2, стабилизированного раствором H2SiO3. Определите, какой из электролитов: FeCl3 или Na2SO4 является лучшим коагулянтом для каждого из указанных золей.
110. Для определения щелочности воды было потрачено 20 мл 0,01 н раствора HCl на титрование 100 мл воды. Как изменится щелочность воды при добавлении в нее дозы 44,5 г/м3 коагулянта AlCl3?
111.Какой из солей: Ca(NO3)2; NaNO3; Na2SO4; CrCl3 потре-
буется меньшее количество для коагуляции отрицательно заряженного золя?
112.Напишите строение мицеллы золя Al(OH)3, полученной смешиванием растворов Al(NO3)3 и KOH, если известно, что по-
роги коагуляции электролитов для этого гидрозоля равны: СKNO3 =
=95 мг-экв/л; СLi2SO4 = 93 мг-экв/л; СFeCl3 = 0,4 мг-экв/л; CBaCl2 =
=18 мг-экв/л. Какой заряд у гранулы частицы гидрозоля?
113.Определите дозу извести (CaO, мг/л), необходимую для подщелачивания при коагуляции, если доза коагулянта хлорида алюминияравна 66,75 мг/л, ащелочность исходной воды– 0,8 мг-экв/л.
35
114. Золь Cd(OH)2 получен сливанием двух растворов CdCl2 и NaOH. Каков знак заряда частиц золя, если пороги коагуляции (мг-экв/л) разных электролитов оказались равными: γNa2SO4 = 0,1; γMg(NO3)2 = 5; γNa3PO4 = 0,01; γNaCl = 5.
115.Поверхность 1 см3 активированного угля равна 1000 м2. Какой объем аммиака при н.у. может адсорбировать 125 мм3 активированного угля, если вся поверхность полностью покрыта мономолекулярным слоем аммиака? Условно можно считать, что
поперечное сечение молекулы NH3 представляет квадрат с длиной стороны 2 · 10–8 см и что при полном заполнении поверхно-
сти соседние молекулы касаются друг друга.
116.При изучении адсорбции ацетона активированным углем при 20 °С были получены следующие данные:
Концентрация ацетона в растворе |
2,34 |
14,65 |
87,62 |
177,69 |
268,97 |
|
(ммоль/л) |
||||||
|
|
|
|
|
||
Количество адсорбированного ацето- |
0,208 |
0,618 |
1,50 |
2,08 |
2,88 |
|
на 1 г угля (ммоль/г) |
|
|
|
|
|
Графически определите константы в уравнении Фрейндлиха. 117. Активная поверхность 1 г силикагеля SiO2 составляет 465 м2. Рассчитайте, сколько молекул брома поглощается 1 см2 поверхности, если известно, что 10 г силикагеля адсорбируют
5 мг брома.
3.2. Обеззараживание воды
Свойства хлора и хлорсодержащих веществ: гипохлоритов, хлорной извести, диоксида хлора, хлораминов. Гидролиз хлора. Распределение различных форм хлора в зависимости от pH раствора. Понятие «активный хлор». Расчет процентного содержания «активного хлора» в веществах, применяемых для дезинфекции воды. Хлоропоглощаемость и оптимальная доза хлорируемости воды, графический метод их определения. Хлорирование с аммонизацией. Прехлорирование и постхлорирование. Остаточный хлор и процессы дехлорирования, расчет доз реактивов.
36
Озонирование воды. Обеззараживание воды ионами серебра (олигодинамия). Физические методы обеззараживания воды: ультразвук, ультрафиолетовое облучение, нагревание, электрокоагуляция, электрофорез.
Пример 1. Вычислите процентное содержание «активного хлора» и процентноесодержания хлорав соединенииMg(ClО3)2·6H2O.
Решение. Молярная масса вещества Mg(ClО3)2 · 6H2O равна 299 г/моль. Процентное содержание хлора в соединении состав-
ляет: 35,5 2 100 23,74%. Процентное содержание «активного
299
хлора» в соединении рассчитывают по формуле:
% сод. акт. хлора = n 35,5 100,
M
где n – число электронов, принимаемых одной молекулой вещества в процессе восстановления; М – молярная масса вещества, г/моль; 35,5 г/моль – эквивалентная масса хлора. В составе соединения содержатся ионы ClO3–, которые могут выступать в роли окислителя: ClO3– + 6H+ + 6e– = Cl– + 3H2O. Учитывая, что в 1 моль вещества содержится 2 моль ионов ClO3–, рассчитываем процентное содержание «активного хлора»:
2 6 35,5 100 142,5 %. 299
Пример 2. Вычислите дозу KI (мг/л), необходимую для дехлорирования воды, если известно, что в 100 м3 ее содержится 284 г молекулярного хлора. Схема реакции дехлорирования:
KI + Cl2 → KCI + I2.
Решение. Уравнение реакции дехлорирования: 2KI + Cl2 = 2KCl + I2.
Рассчитаем количество эквивалентов хлора, которое содержится в 1 л воды.
37
1 м3 = 103 л;
Мэ(Cl2) = 35,5 г/г-экв; 1 г-экв = 103 мг-экв;
284 · 103 / (35,5 · 102 · 103) = 0,08 мг-экв Cl2.
Такое же количество эквивалентов KI необходимо для дехлорирования 1 л воды.
Мэ(KI) = 166 г/г-экв = 166 мг/мг-экв, С(KI) = 0,08 · 166 = 13,3 мг/л.
Задачи
118.Определите процентное содержание «активного хлора»
ипроцентное содержание хлора в соединениях: а) 2Cl2O · Cl2;
б) KClO3; в) 3Ca(OH)2 · 2Cl2; г) Cl2 · 8H2O.
119.Максимальное количество «активного хлора», выделяющегося при взаимодействии М(OCl)2 c соляной кислотой, составляет 126 % от молярной массы взятой соли. Соль какого металла была взята для реакции?
120.Определите процентное содержание «активного хлора»
ипроцентное содержание хлора в соединениях: а) Cl2 · HCl;
б) NaOCl · 5H2O; в) 3Ca(OCl)Cl · Ca(OH)2; г) 2Mg(ClO3)2 · 3H2O.
121.Определите формулу соединения NHxCl3-x, если известно, что содержание «активного хлора» в нем составляет 165 %.
122.Определите процентное содержание «активного хлора»
ипроцентное содержание хлора в соединениях: а) HClO · 4H2O;
б) BaO2; в) NaCl · NaClO; г) O3.
123. Вычислите содержание остаточного хлора (мг/л) в воде, если на титрование 100 мл этой воды было израсходовано 1 мл 0,001 М раствора FeCl2. Схема реакции дехлорирования:
Cl2 + FeCl2 → FeCl3.
124. Сколько миллилитров 0,01 М раствора Ca(NO2)2 необходимо для дехлорирования 50 л воды, чтобы снизить содержание
38
хлора с 1 мг/л до величины остаточного хлора 0,5 мг/л? Схема реакции дехлорирования:
Ca(NO2)2 + Cl2 + H2O → Ca(NO3)2 + HCl.
125. Вычислите объем сероводорода (н.у.), необходимый для дехлорирования 10 м3 воды так, чтобы снизить содержание хлора с 1,45 мг/л до 0,5 мг/л. Схема процесса дехлорирования:
H2S + Cl2 → S + HCl.
126.При хлорировании воды, загрязненной некоторыми органическими веществами, например, фенолом и его производными, вода становится в несколько раз токсичнее. Почему? Как очистить такую воду?
127.Расход воды в крупных городах в расчете на одного жителя составляет 350 л в сутки. Оцените суточный расход хлора (м3 при н.у.) на хлорирование воды для города населением 8 млн
жителей, если норма расхода хлора на водопроводную воду составляет 2 · 10–4 г/л.
128. Ионы Ag+ обладают сильно выраженными бактерицидными свойствами. Нижний предел бактерицидного действия Ag+ оценивается концентрацией порядка 10–6 мг/л. Достигается ли эта концентрация в насыщенном растворе AgCl?
3.3. Сточные воды и методы их очистки
Классификация сточных вод: хозяйственно-бытовые, промышленные, атмосферные (ливневые). Непостоянство состава сточных вод. Физические свойства сточных вод. Минеральные (неорганические) вещества в сточной воде: аммиак, нитриты, нитраты, хлориды, растворенный кислород. Органические вещества в сточной воде: углеводы, жиры, белки и продукты их распада. Цикл превращений азотистых веществ. Характеристика степени загрязнения сточных вод: окисляемость воды, биохимическое потребление кислорода (БПК), химическое потребление
39
кислорода (ХПК). Предельно допустимые концентрации опасных примесей в качестве показателей степени очистки сточных вод.
Деструктивные и регенеративные методы очистки сточных вод. Отстаивание и коагуляция. Закон распределения и экстрагирование. Сорбция и фильтрование через уголь. Перегонка с водяным паром (эвапорация). Нейтрализация кислых и щелочных вод. Взаимная нейтрализация стоков. Мутационное фильтрование. Флотация. Ионообменные реакции, условия их протекания. Использование ионных реакций для удаления примесей из воды. Дезактивация. Химические и биологические методы очистки сточных вод.
Пример 1. Мочевина CO(NH2)2 является конечным продуктом метаболизма белков у живых существ, она может попадать в качестве загрязнителя в водоемы, разлагаясь там аэробными микроорганизмами:
CО(NH2)2 + 4O2 = H2O + CO2 + 2HNO3.
Определите БПК воды объемом 3,0 · 106 л при попадании в нее 30 г мочевины.
Решение. БПК – биохимическое потребление кислорода – определяется той частью кислорода (О2, мг/л), которая необходима для окисления органических веществ микроорганизмами в аэробных условиях. Молярная масса мочевины равна 60 г/моль. Определим количество молей мочевины, содержащихся в 1 л воды: 30 / (3 · 106 · 60) = 1,67 · 10–7 моль. Учитывая, что количество кислорода в реакции расходуется в 4 раза больше, чем мочевины, и переводя граммы в миллиграммы, окончательно получаем:
БПК = = 1,67 · 10–7 · 4 · 32 · 103 = 0,021 мг/л.
Пример 2. Кислотность сточной воды равна 10 мг-экв/л. Необходимо нейтрализовать 12 м3 этой воды. Рассчитайте, сколько
40