Черновик методички

Лабораторная работа № 1

Определение жесткости и умягчение воды методом осаждения накипеобразователей

Жёсткостью воды называют совокупность химических и физических свойств, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов главным образом, кальция и магния (так называемых солей жёсткости). Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в теплообменниках, трубах и т. п. В то же время, использование слишком мягкой воды ведет к коррозии труб, поскольку в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность, которую обеспечивает гидрокарбонатная (временная) жёсткость.

Обычно выделяют два типа жесткости воды [1]:

—временную – карбонатную жесткость, которая обусловлена присутствием на ряду с кальцием, магнием и железом гидрокарбонатных анионов;

—постоянную – некарбонатную жесткость, которая характеризуется присутствием сульфатных, нитратных и хлоридных анионов, солями кальция и магния, хорошо растворимых в воде;

—общую жесткость, которая определяется как суммарная величина наличия солей магния и кальция в воде, то есть суммой карбонатной и некарбонатной жесткости.

Общую жёсткость можно представить и в виде суммы кальциевой и магниевой жёсткости (классификация по положительному иону).

Жёсткости воды выражается через концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации

— моль на кубический метр (моль/м³), однако на практике для измерения жёсткости используются градус жёсткости или миллиграмм-эквивалент на литр или на килограмм (мг-экв/л (кг)).

Жесткая вода способствует образованию известняковых наростов (накипи), которая снижает напор воды и энергоэффетивность, приводит к преждевременному выходу оборудования из строя – в этом случае трубам и теплообменникам требуется гидрохимическая очистка. Государственный контроль и надзор за подъемными сооружениями и котлонадзор России ввёл строгие требования к качеству воды по жёсткости. Для котлов ТЭЦ, электростанций, промышленных водонагревателей умягчение воды является обязательным условием [].

Существует несколько способов умягчения (снижения жесткости) воды.

1.Термический способ доведение воды до температуры насыщения, при которой гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего (CO32-) или основного (OHCO3-3) карбоната.

2.Реагентный способ добавление различных химических веществ.

3.Ионный обмен основан на замене ионов кальция и магния на ионы натрия, водорода или аммония при прохождении воды через сильнокислотный катионит.

4.Обратный осмос и нанофильтрация фильтрация через полупроницаемую мембрану. В процессе очистки удаляются посторонние ионы и загрязнения, снижается общая минерализация воды.

Умягчение воды методом осаждения (относится к реагентным способам) состоит в том, что в воду добавляют химические реагенты. Анионы (отрицательные ионы) реагентов образуют с находящимися в воде катионами кальция и магния труднорастворимые вещества, выпадающие в осадок, который удаляют из воды фильтрованием или выдержкой в баке-отстойнике.

Для умягчения воды используют следующие реагенты:

известь (CaOH);

кальцинированную соду (Na2CO3);

каустическую соду (NaOH);

тринатрийфосфат (Na3PO4);

сразу два реагента из перечисленных в любом сочетании.

В работе рассмотрено содо-известкование. В основе метода лежит связывание свободной углекислоты и выпадение ее в осадок вместе с солями карбонатной жесткости:

CaSO4 Na2CO3 CaCО3 Na2SO4 ;

CaCl2 Na2CO3 CaCО3 2NaCl ;

MgSO4 Na2CO3 MgCO3 Na2SO4 ;

MgCl2 Na2CO3 MgCO3 2NaCl ;

MgCO3 Ca(OH)2 Mg(OH)2 CaCO3 .

Цель работы: обработка воды известью и содой. Определение жесткости до и после обработки.

Порядок выполнения работы

Для определения общей жесткости исходной воды используют комплексометрический метод. Метод отличается быстротой и высокой точностью. Он основан на реакции комплексообразования катионов металлов с комплексонами. При этом образуются очень прочные, хорошо растворимые в воде внутрикомплексные соединения (комплексонаты). Комплексоны являются производными аминополикарбоновых кислот. В практике обычно применяют хорошо растворимую в воде двунатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (дигидрат), которую называют комплексоном III, или трилоном Б. Состав комплексна III отвечает формуле

C10H18N2Na2O10

1.Определение жесткости воды

1.1.Определение общей жесткости исходной воды.

Впробу объемом Vводы = 100 мл добавить 5 мл аммиачного буферного раствора и небольшое количество (5 г) индикатора (хром темно-синий). Далее пробу титрируют Титрование — метод количественного анализа, основанный на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом. В данном случае определяют титр исследуемого вещества трилоном Б до появления фиолетового окраса.

Жесткость:

где k – коэффициент децинормальности 0,1 н. раствора трилона Б (в работе k = 1);

a – расход 0,1 н. раствора трилона Б (искомая величина);

N – нормальность раствора трилона Б (в работе N = 0,1 н.). Нормальность отношение эквивалентного количества вещества (растворённого) к объёму раствора. Обозначение, принятое в химии, - н; единица размерности в СИ - моль/м3. В химии применяют внесистемную единицу 1 моль/л = 103 моль/м3;

Vводы – объем пробы анализируемой воды. мл (в работе Vводы = 100 мл).

1.2.Определение карбонатной жесткости

Карбонатная жесткость исходной воды равна ее щелочности. Для определения щелочности в пробу объемом 100 мл добавляют раствор

метилоранжа. Затем пробу титрируют раствором HCl до появления оранжевой окраски. Карбонатная жесткость

где k – коэффициент децинормальности 0,1 н. раствора HCl (в опыте k = 1); a – расход 0,1 н. раствора HCl;

1.3.Определение магниевой жесткости

Магниевую жесткость принимаем равной половине общей жесткости

1.4. Определение некарбонатной жесткости Некарбонатная жесткость:

2. Определение количества известкового молока, необходимого для умягчения воды.

2.1Содержания в воде свободной углекислоты

2.2Крепость известкового молока определяется согласно п.1.1, путем титрирования раствора исходной воды и дистиллированной воды в соотношении 1:3. В данной работе примем Жизв = 30 мг·экв/л.

2.3Величину избытка извести принимаем равной ЖCaO = 0,30 мг·экв/л.

2.4. Количество извести необходимое для умягчения воды при расходе Q = 1 м3/ч, определяется

Содержание извести в одном литре известкового молока с данной жесткостью

Для известкования 1 литра воды нужно добавить n известкового молока

В данной работе используется 0,5 литра воды, поэтому nоп=0,5·n.

3.Определение количества соды

3.1Для определения количества соды, необходимого для умягчения воды, примем избыток соды ЖNa2CO3 = 30 мг·экв/л. При этом

3.2Количество соды на 1 литр воды

3.3 На 1 литр воды добавляют b мл раствора соды при ее концентрации p = 5%; при этом

5. Результаты после содо-известкования воды

После очистки повторяют пункты 1.1 и 1.2.

По результатам работы выполняется отчет. В выводе необходимо проанализировать и кратко сформулировать результаты работы, полученные данные сопоставить со стандартными (см. Приложение А)

Лабораторная работа № 2

Обработка воды методом коагуляции

Исходная вода, поступающая на станцию, может содержать некоторое количество грубодисперсных и коллоидно-дисперсных примесей. Их концентрация зависит от источника воды [4]. Рекомендуемые методы предварительной обработки в зависимости от качества исходной воды представлены в таблице:

Таблица 1 – Рекомендации по предварительной очистке воды

Одним из основных этапов предварительной очистки воды является ее коагуляция. Коагуляция - это физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц в крупные агрегаты (флокулы), который завершается выпадением вещества в осадок, удаляемый осаждением и фильтрованием. Коагуляция сопровождается снижением мутности и цветности. Коагуляция воды также может рассматриваться как метод соосаждения в практике обработки радиоактивных вод, когда вместе с нерадиоактивными примесями из воды удаляются и радионуклиды.

Коагуляция может быть прямой и обратной. При прямой коагуляции «слипание» и выпадение в осадок коллоидных частиц обусловлено повышением температуры воды и/или перемешиванием. На практике чаще используют обратную коагуляцию: здесь электростатическое отталкивание предотвращают с добавлением солей или изменением кислотности; это даёт

возможность коллоидным частицам сблизиться на расстояние, на котором силы Ван-дер-Ваальса приведут к слипанию частиц [8]. Соли, участвующие в коагуляции, называются коагулянтами, а вещества, из которых получается коагулянт – коагуляторами.

Вкачестве коагулянтов обычно применяют сернокислый алюминий (Al2(SO4)3), железный купорос (FeSO4) и сернокислую окись железа (Fe2(SO4)3). Эти вещества гидролизуются с образованием труднорастворимых гидроокисей, образующих коллоидные растворы. Такие растворы имеют положительный заряд, тогда как примеси в воде обычно имеют отрицательный заряд, что и способствует процессу коагуляции.

Вданной работе необходимо оценить зависимость эффекта коагуляции от значений водородного показателя, визуально сопоставить процесс коагуляции в различных средах, а также измерить общую щелочность воды после коагуляции.

Ход работы

1.Для проведения опыта в трех стаканах готовят 500 мл исходной воды.

2.Для корректировки pH во второй и третий стакан добавляют 5 мл серной кислоты (H2SO4) и гидроксила натрия (NaOH), соответственно.

3.Все три стакана нагревают до температуры 40 °С.

4.После нагрева в каждый стакан добавляют коагулянт (5 мл 5% раствора сернокислого алюминия Al2(SO4)3), тщательно перемешивают раствор и дают ему настоятся в течении некоторого времени (3…5 мин). При это наблюдают за изменениями в растворах и сравнивают их между собой.

5.Далее определяют pH исходной и прокоагулирвоанной воды. В завершении работы определяют общую щелочность обработанной воды.

6.Щелочность (Щ) определяется с помощью титрирования растворенных

в воде щелочных соединений соляной кислотой в присутствии индикатора метилоранжа (см. лабораторную работу № 1). Щелочность характеризует общее содержание в воде бикарбонатов HCO3-, карбонатов (CO3)2-, гидратов OH-, ортофосфатов (PO4)3-, (HPO4)2-, (H2PO4)- и гуматов.

Лабораторная работа № 3

Определение окисляемости воды

Окисляемость воды характеризует наличие в ней органических веществ и легко окисляющихся неорганических соединений (Fe2+, сульфитов, нитритов, H2S и др.).. Окисляемость — один из показателей степени загрязнения воды органическими примесями. Окисляемость органических веществ, растворенных в воде, характеризуется количеством кислорода, расходуемого на их окисление в определенных условиях. Окисляемость воды выражают массой кислорода, израсходованного на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды.

В качестве окислителей органических веществ обычно применяют перманганат калия (перманганатная окисляемость), дихромат или иодид калия (дихроматная или иодатная окисляемость) или химическое потребление кислорода (ХПК). Во избежание ошибки предварительно в исследуемой воде определяют неорганические восстановители.

Если концентрация хлоридов в исследуемой воде не превышает 100 мг/л, то органические вещества окисляют перманганатом калия в кислой среде. При более высоком содержании хлоридов используется реакция окисления перманганатом калия в щелочной среде. Органические вещества, содержащиеся в исследуемой воде, при кипячении в присутствии серной кислоты окисляются перманганатом калия. К пробе воды добавляют заведомо избыточное количество раствора KMnO4 определенной концентрации (нормальность раствора 0,01 н.). В этих условиях окисляются не все органические вещества, поэтому окисляемость характеризует содержание только легкоокисляющихся примесей. Для получения более точных результатов используют обратное титрование: к прокипяченной пробе прибавляют избыток щавелевой кислоты; часть ее окисляется оставшимся перманганатом калия, а остальное количество Н2С2О4 оттитровывают перманганатом калия.

Порядок выполнения работы

1.Во избежание ошибки, связанной со случайным загрязнением колбы примесями, способными к окислению, перед определением окисляемости в колбу следует налить 80…90 мл концентрированного раствора перманганата калия, подкисленного серной кислотой, и кипятить в течение 4…5 мин.

2.Смесь вылить, а образовавшийся на стенках колбы осадок растворить в небольшом количестве концентрированной соляной кислоты.

3.Для удаления остатков кислоты колбу следует обработать дистиллированной водой.

4.В подготовленную коническую колбу добавить Vводы = 100 мл исследуемой воды.

5.Добавить в воду 5 мл 4 н. раствора серной кислоты

6.Прилить из бюретки 10 мл 0,01 раствора КМnО4.

7.Смесь кипятить 5…7 мин (считая с момента закипания). Затем снять с

огня.

8.К горячей жидкости прилить 10 мл 0,01 н. раствора щавелевой кислоты и перемешать.

9.Горячий раствор титровать 0,01 н. раствором КМnO4 до появления розового окрашивания, не исчезающего 30…40.

10.Рассчитать перманганатную окисляемость

где x — окисляемость воды, мг О2/л;

VKMnO4 — объем раствора КMnO4, прилитого к пробе воды до кипячения, мл;

V '

KMnO4 — объем раствора КMnO4, необходимого для титрования избытка щавелевой кислоты, мл;

NKMnO4 — нормальность раствора КMnO4, мг-экв/л;

VH2C2O4 — объем 0,01 н раствора щавелевой кислоты, необходимой для связывания избытка КMnO4, мл;

NH2C2O4 — нормальность раствора щавелевой кислоты, мг-экв/л;

Э — эквивалент кислорода (равен 8),

Vводы — объем пробы исследуемой воды, мл.

11. По результатам работы нужно составить отчет. В выводах необходимо сравнить полученные результаты с нормами на питьевую и техническую воду

[ ].

Лабораторная работа № 4

Определение кислотности воды

Кислотностью называют содержание в воде веществ, способных вступать в реакцию с гидроксид-ионами (ОН-). Кислотность воды определяется эквивалентным количеством гидроксида, необходимого для реакции. В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободного диоксида углерода (CO2). Естественную часть кислотности также могут создавать гуминовые и другие слабые органические кислоты. Во всех этих случаях pH воды обычно не бывает ниже 4,5. Некоторые промышленные сточные воды содержат большие количества сильных свободных кислот или их кислых солей; при этом рН воды может быть ниже 4,5.

В зависимости от силы реагирующих кислот и оснований в точке эквивалентности раствор может быть нейтральным, слабокислым или слабощелочным. При взаимодействии сильного основания и сильной кислоты образуется соль, не подвергающаяся гидролизу, например,

NaOH + HCl = NaCl + H2O

В этом случае полученный при титровании раствор будет нейтральным (рН = 7). Для определения точки эквивалентности можно применить в качестве индикатора лакмус, фенолфталеин и метилоранж.

Порядок проведения работы

Так как кислоты, содержащиеся в природных водах, имеют малую степень диссоциации, т. е. являются слабыми, то при определении кислотности в качестве титрующего раствора берут едкий натр 0,1 н. концентрации в присутствии фенолфталеина.

1.В коническую колбу отмерить мерным стаканом 100 мл исследуемой

воды.

2.Добавить в раствор 3 – 4 капли фенолфталеина.

3.Титровать пробу 0,1 н. раствором едкого натра NaOH до появления слаборозовой окраски.

4.Величину кислотности в [мг-экв/л] определяют по формуле, аналогичной расчету Щелочности, который показан в разделе 1.

5.По выполненной работе оформляют отчет.