Промышленная экология. Учебно-методическое пособие

Расчетный объем загрузки (массу) определяют исходя из соотношения 0,75 мг «черного песка» на 1 мг железа (II) по формуле

где E – масса «черного песка», г.

Ход работы

1.Подготовить загрузку. Залить кварцевый песок 1 % раствором перманганата калия при рН=8,5–9 (при необходимости корректируют раствором аммиака).

2.Выдержать 30 мин.

3.Отфильтровать через бумажный фильтр.

4.Высушить.

5.В стеклянную воронку поместить бумажный фильтр.

6.Взвесить необходимое количество загрузки, найденное по фор-

муле (2.7).

7.Поместить в фильтр загрузку.

8.Определить начальную концентрацию железа в исследуемой воде (см. лабораторную работу 1).

9.Отобрать 100 см3 обрабатываемой воды.

10.Пропустить обрабатываемую воду через полученный фильтр.

11.Провести определение массовой концентрации общего железа в фильтрате обработанной жидкости.

Обработка и оформление результатов

Для сравнения используемых методов обработки воды с целью обезжелезивания необходимо рассчитать эффективность удаления железа при использовании каждого метода по формуле

где Э – эффективность удаления железа, %; ХН – массовая концентрация железа в пробе до обработки, мг/дм3;

ХК – массовая концентрация железа в пробе после обработки, мг/дм3;

Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 2.5.

31

Таблица 2.5

Сравнительная характеристика методов удаления железа из воды

Сделать выводы по работе. Сравнить эффективность методов удаления железа. Для использованных методов необходимо оценить соответствие конечной концентрации железа в воде (ХК) предельно допустимым концентрациям железа в водах различного назначения.

Контрольные вопросы

1.Назовите методы удаления железа из воды.

2.Поясните сущность метода обезжелезивание воды аэрацией. Приведите реакции.

3.Для чего применяется известкование? При каких условиях его можно применять?

4.Поясните сущность метода обезжелезивание воды хлорированием. Приведите реакции.

5.На чем основан метод каталитического удаления железа? Приведите реакции.

6.В чем особенности применения ионитного метода очистки воды от железа?

32

7.В чем сущность мембранного метода удаления железа из воды?

8.Поясните сущность биохимического метода обезжелезивания. Каким процессам подвергаются соединения железа в биологических очистных сооружениях?

9.Какие группы бактерий участвуют в окислении железа?

10.Назовите достоинства и недостатки методов очистки воды от

железа.

11.Рассчитайте количество реагента (гипохлорита натрия, перекись водорода, перманганата калия), необходимое для обработки 350 см3 воды с концентрацией закисного железа 7 мг/дм3. Концентра-

цию реагента примите равной его концентрации, использованной в лабораторной работе.

12. Рассчитайте продолжительность пробы воды объемом 520 см3 с концентрацией Fe(II) 4,5 мг/дм3, необходимую для ее обезжелезивания. Производительность компрессора примите равной 1 дм3/мин.

33

3 . О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Ж Е С Т К О С Т И В О Д Ы И М Е Т О Д Ы Е Е У М Я Г Ч Е Н И Я

3 . 1 . Ж е с т к о с т ь в о д ы

Жесткость – это совокупность физико-химических свойств воды, обусловленная наличием в ней ионов Са2+ и Mg2+. Различают карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную) жесткость. Карбонатная (временная) жесткость вызвана содержащимися в воде гидрокарбонатами кальция Са(НСО3)2 и магния Мg(НСО3)3 и легко устраняется кипячением.

При кипячении воды бикарбонаты разлагаются с образованием карбонатов, оксикарбонатов и гидроксидов:

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+ H2O + CO2↑

Mg(HCO3)2= MgCO3 + H2O + CO2↑ 2Mg(HCO3)2+ H2O = Mg(OH)2CO3↓+ CO2↑ Mg(OH)2CO3 + H2O= 2Mg(OH)2↓+ CO2↑

Некарбонатная (постоянная) жесткость обусловлена кальциевыми и магниевыми солями минеральных кислот (например, СаСl2, MgSО4 и Са(NO)3)2). Она не устраняется кипячением. Также выделяют отдельно кальциевую и магниевую жесткость.

Сумма временной (устранимой) и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды.

Количественно жесткость воды представляет собой молярную концентрацию эквивалента вещества, обуславливающего жесткость или требующегося для ее устранения, обозначаемую в этом случае как «Ж» и вы-

где Ж – жесткость воды;

m(вещества) – масса вещества, обусловливающего жесткость или требующегося для ее устранения, мг;

34

Мэ(вещества) – молярная масса эквивалента вещества, обусловливающего жесткость или требующегося для ее устранения, г/моль;

V– объем воды, дм3.

С1 января 2014 г. в России введен межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жесткости». По этому ГОСТу жесткость выражается в градусах жесткости, которые обозначаются символом °Ж или °H (буква может не ставиться, если контекст очевиден). 1°Ж, что соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм³ (г/м³) (1 °Ж = 1 мг-экв/л).

В мире используются и другие типы градусов жесткости, представленные в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Обозначение типов градусов жесткости в мире

Принято классифицировать жесткость воды следующим образом:

–мягкая вода – жесткость 3,0° и менее;

–средняя жесткость – от 3,0 до 6,0°;

–жесткая вода – свыше 6,0°.

Жесткость воды поверхностных источников существенно колеблется в течение года. Она максимальна в конце зимы, минимальна –

35

впериод паводка (например, жесткость волжской воды в марте – 4,3 Ж,

вмае – 0,5 Ж). В подземных водах жесткость обычно выше (до 8–10, реже до 15–20 Ж) и меньше изменяется в течение года.

Причиной повышенной жесткости воды могут служить залежи гипса, доломитов, известняка, а также другие горные породы, способные растворяться в подземных водах.

Влияние на качество воды. Приемлемость воды для питьевых нужд обусловливается появлением горького вкуса у жесткой воды, которая может негативно влиять на процессы пищеварения и течение мочекаменной болезни, а также на фоне йодной недостаточности способствует возникновению зубной болезни. Также жесткая вода негативно сказывается на работоспособности бытовой техники, образуя отложения на нагревательных элементах (это приводит к снижению теплопроводности воды и увеличению энергопотребления), уменьшается площадь полезного сечения трубопроводов (это приводит к увеличению гидравлического сопротивления и прорывам), снижается чувствительность датчиков и терморегуляторов, образуется белый налет на сантехнике. Все это в конечном итоге приводит к выходу из строя оборудования и повышению энергозатрат. В связи с этим согласно санитарным нормам и правилам жесткость питьевой воды не должна превышать 7 °Ж (СанПин 2.1.4.1074-01 и ГН 2.1.5.1315-03), для бутилированной воды 1,5–7 °Ж (СанПин 2.1.4.1116-02), а при обслуживании котлов, работающих при избыточном давлении, – 0,05–0,1 °Ж.

Однако стоит упомянуть, что мягкая вода имеет свои недостатки. Например, значительно снижается буферная емкость (щелочность), за счет которой мягкая вода может оказывать коррозионное воздействие на трубопроводы. Поэтому, в зависимости от сферы применения воды, очень важно предварительно оценить уровень ее жесткости и при необходимости обеспечить мероприятия по ее специальной обработке.

Лабораторная работа 3 Определение жесткости воды

Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б с ионами щелочноземельных элементов.

Ca2+ + Na2H2R → Na2CaR + 2H+,

где R – радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты.

36

Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН=10 в присутствии индикатора. Наименьшая определяемая жесткость воды – 0,1 °Ж.

Цель работы: определить временную, постоянную и общую жесткость воды.

Оборудование, материалы и реактивы

Бюретки 1–2-го класса точности вместимостью 25 см3 по ГОСТ 2925.

Воронки лабораторные по ГОСТ 25336.

Колбы мерные 2-го класса, вместимостью 100 см3 по ГОСТ 1770. Колбы стеклянные лабораторные конические номинальной вме-

стимостью 250 см3 типа Кн по ГОСТ 25336.

Бумага универсальная индикаторная для контроля рН. Аммония хлорид по ГОСТ 3773.

Аммиак водный по ГОСТ 3760 (25 %).

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709 и (или) бидистиллированная (вода дистиллированная, перегнанная повторно в стеклянных емкостях).

Гидроксиламина гидрохлорид по ГОСТ 5456.

ГСО состава трилона Б массовой долей 2-водной динатриевой соли этилендиамин-N,N,N',N'-тетрауксусной кислоты не менее 99,5 % или стан- дарт-титр (фиксанал) трилона Б или трилон Б (этилендиамин-N,N,N',N'- тетрауксусной кислоты динатриевая соль 2-водная) по ГОСТ 1065.

Индикатор эриохром черный Т (хромогеновый черный ЕТ) или хромовый темно-синий кислотный (кислотный хромовый синий Т).

Натрия хлорид по ГОСТ 4233. Натрия сульфид по ГОСТ 2053. Кислота соляная по ГОСТ 3118.

Метиловый оранжевый (пара-диметиламиноазобензолсульфо- кислый натрий) по ТУ 6-09-5171.

Все реактивы, используемые для анализа, должны быть квалификации химически чистые (х. ч.) или чистые для анализа (ч. д. а).

37

Определение временной жесткости воды. Данная методика ос-

нована на титровании гидрокарбонат- и карбонат-ионов стандартным титрованным раствором соляной кислотой в присутствии индикатора метилоранжа.

Ход работы

1.Налить в бюретку раствор соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль-экв/дм3 (0,1 н.), используя воронку.

2.Установить бюретку на нулевое деление.

3.Взять 3 колбы вместимостью 250 см3.

4.Отмерить мерным цилиндром 100 см3 водопроводной воды

иналить в колбу.

5.Добавить в каждую колбу по 2–3 капли индикатора метилового оранжевого.

6.Перемешать содержимое колб.

7.Провести титрование раствором соляной кислоты.

8.Приливать раствор соляной кислоты по каплям к воде до изменения окраски индикатора от желтой до оранжево-розовой. Содержимое колбы при этом постоянно взбалтывают, чтобы жидкости перемешивались.

9.Зафиксировать объем кислоты, пошедшей на титрование.

10.Повторить титрование еще 2 раза.

Обработка и оформление результатов

Результаты измерений заносят в табл. 3.2. Расчет временной жесткости воды производится по формуле

где Жвр – временная жесткость воды, °Ж;

VHCl – объем стандартного раствора HCl, израсходованный на титрование, см3;

NHCl – нормальность стандартного раствора HCl (титранта); V – объем пробы исследуемой воды, см3.

38

Определение общей жесткости воды. Методика основана на комплексометрическом титровании катионов жесткости раствором трилона Б. Трилон Б представляет собой двузамещенную натриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты:

и образует достаточно прочные бесцветные комплексные соединения с ионами жесткости (МеН2ЭДТА). В качестве индикатора в данной работе используется раствор хромогена, или кислотного темносинего, или эриохром черного.

Суть методики заключается в том, что в слабощелочной среде анионы индикатора (условно обозначим как Jnd2–) образуют с ионами кальция и магния комплексные соединения (MeJnd), окрашенные в красно-вишневый цвет. В процессе титрования они разрушаются вследствие образования более прочных комплексных соединений ионов кальция и магния с трилоном Б (титрантом). При этом в точке эквивалентности анионы освободившегося индикатора (Jnd2–) окрашивают раствор в чернильно-синий цвет. Схему протекающей реакции можно записать в следующем виде:

МеInd + (H2ЭДТА)2- ↔ МеH2ЭДТА + Ind2–

Ход работы

1. Налить в бюретку раствор трилона Б с концентрацией 0,05 моль-экв/дм3 (0,05 н.), используя воронку.

2.Установить бюретку на нулевое деление.

3.Взять 3 колбы вместимостью 250 см3.

4.Отмерить мерным цилиндром 100 см3 водопроводной воды

иналить в колбу.

5.Добавить в каждую колбу по 5 см3 аммиачного буферного рас-

твора.

6.Проверить рН пробы.

7.Добавить в каждую колбу по 5–7 капель индикатора эриохрома

черного.

8.Перемешать содержимое колб.

9.Провести титрование раствором трилона Б.

10.Приливать раствор трилона Б по каплям к воде до изменения окраски индикатора от вишнево-розовой до чернильно-синей.

39

Содержимое колбы при этом постоянно взбалтывают, чтобы жидкости перемешивались.

11.Зафиксировать объем трилона Б, пошедшего на титрование.

12.Повторить титрование еще 2 раза.

Обработка и оформление результатов

Результаты опыта заносят в табл. 3.2. Расчеты проводят по формуле

где Жоб – общая жесткость воды, °Ж;

VТ – объем трилона Б, затраченный на титрование пробы, см3; NТ – нормальность рабочего раствора трилона Б.

Расчет постоянной жесткости воды. Исходя из формулы (3.2)

и (3.3), находим постоянную жесткость воды по формуле

Сделать выводы по работе. В выводе необходимо указать к какому классу по жесткости относится исследованная вода. Также отразить соответствие проанализированных проб воды требованием санитарных норм и правил, а также необходимости или ее отсутствия их умягчения.

40