Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии. Лабораторный практикум

тельно биологическими отходами антропогенного происхождения, величина бихроматной окисляемости (ХПК) гораздо выше, чем БПК [7].

Цель работы

Ознакомиться со способами определения суммарного количества органических загрязнителей в воде через определение окисляемости природных вод. Определить величину ХПК природной воды и оценить степень ее загрязнения.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Две плоскодонные колбы со шлифом вместимостью 250 мл; бюретка вместимостью 25 мл; мерный цилиндр вместимостью 50 мл; пипетатор; пипетки вместимостью 5 мл и 10 мл; штатив лабораторный химический; кипелки; обратный холодильник; электрическая плитка; часовое стекло; водяная баня; 0,25 М раствор бихромата калия; 0,2 М раствор тиосульфата натрия; 20%-ный раствор йодида калия; 1%-ный раствор крахмала; 2 М раствор серной кислоты; дистиллированная вода.

Последовательность выполнения работы

В плоскодонную колбу со шлифом вместимостью 250 мл цилиндром внести 50 мл анализируемой воды, пипетками добавить 10 мл 2 М серной кислоты и 10 мл 0,25 М раствора бихромата калия. В колбу добавить кипелки и кипятить на электрической плитке с обратным холодильником в течение 10 мин. Перенести колбу в баню с холодной водой и охладить до комнатной температуры. К охлажденному раствору пипеткой прилить 3 мл 20%-ного раствора йодида калия, накрыть часовым стеклом, осторожно перемешать круговыми движениями и поместить на 5 мин в темное место для завершения реакции. Выделившийся йод оттитровать раствором тиосульфата натрия в присутствии 2–3 капель индикатора – крахмала, который добавляют глазной пипеткой после того, как бурая окраска посветлеет. Если переход окраски в конце титрования плохо заметен, перед прибавлением крахмала раствор можно разбавить 50 мл дистиллированной воды, внесенных мерным цилиндром.

Холостой опыт выполнить аналогично с 50 мл дистиллированной воды. Все определения выполнить не менее двух раз [8].

31

Окисляемость (ХПК) анализируемой воды вычислить по формуле

(6.1) [8].

Получаемые результаты

Окисляемость (ХПК) анализируемой воды вычислить по формуле

где V0 – расход раствора тиосульфата натрия на титрование холостой пробы, мл;

V1 – расход раствора тиосульфата натрия на титрование рабочей пробы, мл;

V2 – объем анализируемой пробы воды, мл;

Cн(Na2S2O3) – нормальность раствора тиосульфата натрия, моль-экв/л; 8 – эквивалент кислорода, г/моль-экв [8].

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.На какие группы с санитарно-гигиенической точки зрения делятся присутствующие в воде органические вещества?

2.Какие окислительно-восстановительные процессы протекают в природных водах в аэробных условиях?

3.Какие окислительно-восстановительные процессы протекают в природных водах в анаэробных условиях?

4.Что такое окисляемость природных вод?

5.Какие методы определения окисляемости природных вод Вы знаете?

6.Что такое перманганатная окисляемость природных вод?

7.Каковы преимущества и недостатки определения перманганатной окисляемости природных вод?

8.Что такое бихроматная окисляемость природных вод?

9.Каковы преимущества и недостатки определения бихроматной окисляемости природных вод?

10.В чем заключается сущность метода определения ХПК?

11.Что представляет собой показатель БПК? Как его можно определить?

12.Какие разновидности БПК Вы знаете?

32

Лабораторная работа № 7 АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД,

СОДЕРЖАЩИХ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ

Адсорбция – это процесс поглощения веществ из раствора или газовой смеси поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбента).

В качестве адсорбентов применяют различные природные, синтетические или искусственно созданные материалы: активированный уголь, диатомит, бентонит, цеолит, силикагели, алюмогели, золу, торф и другие. Адсорбтивными свойствами обладает большинство минералов и многие синтетические неорганические материалы.

Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе, при этом их очень активно использует человек в своей хозяйственной деятельности, например при очистке сточных вод.

Выделяют две разновидности адсорбции:

–реагентная, при которой вещества, извлеченные из очищаемого раствора или газа, можно выделить из адсорбента и затем утилизировать;

–деструктивная, при которой вещества, извлеченные из очищаемого раствора или газа, невозможно выделить из адсорбента, поэтому извлекаемые вещества уничтожают вместе с адсорбентом.

Сорбционные явления основаны на физическом и химическом взаимодействии сорбата и сорбента. При адсорбции возникают различные типы связей: ван-дер-ваальсовы, поляризационные (иондипольное взаимодействие), водородные, координационные (взаимодействие донор-акцептор).

Физическая адсорбция не приводит к разрыву или образованию новых химических связей. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, не сопровождается существенным изменением электронной структуры молекул адсорбируемого вещества (адсорбата), адсорбируемые молекулы сохраняют свою индивидуальность и могут перемещаться по поверхности адсорбента.

33

При хемосорбции между молекулами или атомами адсорбента и адсорбата образуется химическая связь. Хемосорбция обычно необратима и является локализованной, т.е. молекулы адсорбата не обладают поверхностной подвижностью.

Величина адсорбции пропорциональна поверхности адсорбента. Для развития поверхности твердых тел применяют различные методы обработки, создающие в твердом теле сеть различных объемных дефектов – пор, которые представляют собой полости в твердом теле, как правило, соединенные между собой и имеющие различную форму и размеры.

По величине эффективного радиуса выделяют три разновидности пор адсорбентов:

1)макропоры – наиболее крупная разновидности пор адсорбентов, имеет эффективные радиусы более 100–200 нм. Макропоры играют роль транспортных каналов, по которым молекулы поглощаемого вещества проникают вглубь гранул сорбента;

2)мезопоры (переходные поры) имеют эффективные радиусы кривизны поверхности от 2 до 100 нм. Мезопоры играют важнейшую роль при адсорбции из растворов крупных молекул (белков, синтетических поверхностно-активных веществ и т.д.);

3)микропоры – наиболее мелкие поры, имеют эффективные радиусы кривизны поверхности менее 1,5–2,0 нм. Микропоры играют главную роль в процессах адсорбции веществ, имеющих низкую молекулярную массу.

Молекулярными ситами называют микропористые адсорбенты, имеющие поры строго определенных размеров, внутрь которых могут попасть лишь те молекулы, диаметр которых меньше или равен ширине поры [7].

Эффективность адсорбционной очистки сточных вод может достигать 80–95 %. Она зависит от природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения поглощаемого вещества и его состояния в растворе.

34

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от ионов тяжелых металлов, фенолов, пестицидов, гербицидов, красителей, ПАВ, ароматических нитросоединений и т. д.

Цель работы

Ознакомиться с адсорбционным процессом очистки сточных вод и с видами адсорбентов.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Весы лабораторные общего назначения 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 300 г; металлический шпатель; магнитная мешалка; штатив лабораторный химический; пипетатор; мерный цилиндр вместимостью 100 мл; две плоскодонные колбы вместимостью 250 мл; воронка диаметром 10 или 15 см; глазная пипетка; две пипетки вместимостью 5 мл; четыре пипетки вместимостью 10 мл; бюретка вместимостью 25 мл; две конические колбы для титрования вместимостью 100 мл; фильтровальная бумага «красная лента»; универсальная индикаторная бумага; пивная дробина; отработанный кизельгур; 1%-ный раствор CuSO4.5H2O; 1 М раствор H2SO4; 10%-ный раствор KI; 0,05 М раствор Na2S2O3; 1%-ный раствор крахмала; вода дистиллированная.

Последовательность выполнения работы

Для приготовления опытного раствора в плоскодонной колбе вместимостью 250 мл на лабораторных весах взвесить 5 г пивной дробины или отработанного кизельгура (по заданию преподавателя), добавить цилиндром 70 мл 1%-ного раствора сульфата меди, перемешать.

В полученном растворе определить рН, пользуясь универсальной индикаторной бумагой. Если рН отличается от 5,3–5,6 ( допускается 4–6), довести рН до необходимого значения, пользуясь 0,1 М раствором гидроксида натрия или 0,1 М раствором соляной кислоты и глазной пипеткой. Колбу с раствором поместить на магнитную мешалку и перемешивать при комнатной температуре в течение 30 мин с частотой вращения мешалки 1000 оборотов в минуту.

35

Полученный раствор отфильтровать через складчатый фильтр «красная лента» в плоскодонную колбу вместимостью 250 мл. Бюретку заполнить 0,05 М раствором тиосульфата натрия. В две конические колбы для титрования отмерить пипеткой вместимостью 10 мл приготовленный фильтрат опытного раствора, добавить пипеткой по 4–5 мл 1 М раствора серной кислоты, добавить по 10 мл 10%-ного раствора йодида калия, немедленно оттитровать выделившийся иод тиосульфатом натрия. Под конец титрования, когда раствор приобретет соломенно-желтую окраску, прибавить пипеткой 3–5 мл 1%-ного раствора крахмала и дотитровывать до обесцвечивания раствора. Необходимо, чтобы синяя окраска жидкости исчезла от одной последней капли тиосульфата натрия. Точное титрование повторяют два-три раза и из сходящихся результатов берут средний.

Для приготовления контрольного раствора в две конические колбы для титрования отмерить пипеткой по 10 мл исходного 1%-ного раствора сульфата меди, добавить пипеткой по 4–5 мл 1 М раствора серной кислоты, добавить по 10 мл 10%-ного раствора йодида калия, немедленно оттитровать выделившийся иод тиосульфатом натрия. Под конец титрования, когда раствор приобретет соломенно-желтую окраску, прибавить пипеткой 3–5 мл 1%-ного раствора крахмала и дотитровывать до обесцвечивания раствора. Необходимо, чтобы синяя окраска жидкости исчезла от одной последней капли тиосульфата натрия. Точное титрование повторяют два-три раза и из сходящихся результатов берут средний.

Массовые доли меди в опытном и контрольном растворах вычислить по формуле (7.1) [9].

Получаемые результаты

Массовые доли меди в опытном и контрольном растворах вычислить по формуле

где С(Na2S2O3) – молярная концентрация раствора тиосульфата натрия, моль/л;

36

V(Na2S2O3) – объём раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, мл;

М(Сu) – молярная масса эквивалента меди, в данном случае равна молярной массе, т.е. 63,54 г/моль;

V(CuSO4) – объем 1%-ного раствора сульфата меди, добавленный в отходы пивоварения, мл;

1000– перевод литров в мл;

V – объем отфильтрованных контрольного или опытного растворов, взятых для титрования, мл [9].

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается сущность процесса адсорбции?

2.Какие разновидности адсорбционных процессов Вы знаете?

3.Какие виды адсорбентов Вам известны?

4.В чем сущность процесса адсорбции, основанной на физическом взаимодействии сорбата и сорбента?

5.В чем сущность процесса адсорбции, основанной на химическом взаимодействии сорбата и сорбента?

6.Что такое пористость адсорбентов?

7.Какие существуют виды пор? Чем они отличаются друг от друга?

8.Что такое молекулярные сита?

9.Какова эффективность адсорбционной очистки сточных вод? От чего она зависит?

10.Какие вещества можно удалить при адсорбционной очистке сточных вод?

37

Лабораторная работа № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КАТИОННОГО ОБМЕНА ПОЧВЫ

Сорбционные свойства почвы определяют поведение в почве практически всех химических элементов, включая поллютанты, повышенные концентрации которых оказывают токсичное влияние на биоту. От сорбционных свойств почв зависит количество тяжелых металлов, радионуклидов и других соединений, которое может попасть в грунтовые и поверхностные воды и в пищевые цепи [6].

Поглотительная способность – это способность почвы поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее, и удерживать их.

Различают пять видов поглотительной способности почвы:

–механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы как всякого пористого тела задерживать мелкие частицы из фильтруемых через нее суспензий;

–физическая поглотительная способность – это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ;

–химическая поглотительная способность связана с образованием в почве нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями (ионами в почвенном растворе);

–биологическая поглотительная способность обусловлена жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и тем самым предохраняют почву от выщелачивания;

–физико-химическая, или обменная, поглотительная способность

–это способность мелкодисперсных (от 0,2 до 0,001 мкм) частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других катионов, ранее связанных твердой фазой почвы.

38

Ионообменные свойства почвы связаны с процессом эквивалентного обмена находящихся в почвенном поглощающем комплексе катионов и анионов взаимодействующего с твердыми фазами раствора почвы.

Обменными катионами в почвах являются Са2+, Mg2+, H+, К+, Na+, NH4+, Аl3+. Реакцию обмена, протекающую между обменными катионами и катионами почвенного раствора, можно представить следующим уравнением:

[почва] Са2+ + 2КСl = [почва] 2К+ + СаСl2

Обменная реакция протекает с большой скоростью и является обратимой. Для ее протекания в одном направлении необходимы многократная обработка почвы раствором соли и удаление образующихся продуктов из сферы протекающей реакции.

Емкость поглощения или емкость катионного обмена (ЕКО) – это максимальное количество обменных катионов, которое может удержать почва в обменно-поглощенном состоянии, выраженное в мг·экв/100 г почвы. Градация почв по поглотительной способности представлена в табл. 8.1 [7].

Поглощение анионов почвами в неблагоприятных условиях может приводить к накоплению ряда токсичных веществ [7].

Гидролитическая кислотность (Нг) – более общая форма кислотности, которая включает в себя активную, обменную и ту часть потенциальной, менее подвижной, кислотности, которая не учитывается при определении обменной кислотности.

При определении гидролитической кислотности катионы водорода вытесняют из почвенного поглощающего комплекса (ППК) с помощью 1 М раствора гидролитически щелочной соли (CH3COONa) при соотношении «почва : раствор» = 1 : 2,5 (для минеральных) и 1 : 150 (для торфяных и других органических горизонтов почв и пород). По количеству 0,1 М раствора NаОН, пошедшего на титрование образовавшейся в растворе кислоты, рассчитывают величину гидролитической кислотности [4].

39

В почве поглощенные катионы определяют реакцию среды. Сумма поглощенных оснований (S) показывает общее количество поглощенных катионов оснований в почвенном поглощающем комплексе – Са2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+ и т.д. (т.е. сумма катионов без водорода и алюминия). От ее значения зависит степень кислотности почвы. Величина суммы поглощенных оснований необходима для расчета емкости катионного обмена почвы.

Метод определения суммы поглощенных оснований основан на вытеснении из почвенного поглощающего комплекса поглощенных оснований 0,1 М раствором HCl (соотношение «почва : раствор» = 1 : 5). При этом часть кислоты идет на нейтрализацию поглощённых оснований. Остаток кислоты, не вступившей в реакцию, титруют 0,1 М раствором NaOH. По разности между количеством кислоты, взятым для обработки почвы и оставшимся, вычисляют сумму поглощенных оснований [4].

40