Технология очистки сточных вод. Учебное пособие

-наливают в колбу 50 мл дистиллированной воды, 5 мл концентрированной серной кислоты, 10 капель индикатора;

-титруют готовый раствор раствором соли Мора до перехода окраски от малиново-красной до изумрудно-зеленой.

Процентное содержание ионов хрома X определяют по формуле

где А – объем раствора соли Мора, пошедший на титрование, мл; k – поправочный коэффициент, равный 0,3; Е – эквивалентная масса определяемого вещества, равная 49,037; 0,25 – нормальность титрованного раствора соли Мора; m – масса анализируемой пробы, мг.

Задание 2. Определение оптимального значения величины рН реакционной среды. В пять конических колб емкостью 250 мл наливают по 100 мл приготовленных хроматных растворов, в каждый из них приливают раствор сульфита натрия из расчета 100 % по стехиометрии по уравнению реакции для восстановления шестивалентного хрома до трехвалентного

K2Cr2O7 + 3Na2SO3 + 4H2SO4 Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 3Na2SO4 + 4H2O.

В растворах, в которых произвели восстановление, измеряют оставшееся содержание ионов шестивалентного хрома и рН.

На основании полученных результатов анализа ионов хрома в исходных растворах и растворах после восстановления строят график

зависимости степени восстановления (Cr 6 ) шестивалентного хрома от значения рН среды. Степень восстановления (Cr 6 ) рассчитывают по формуле

Опытные и расчетные данные заносят в табл. 6.2.

41

Таблица 6.2

По данным этой серии опытов выбирается значение рН, при котором достигается максимальное восстановление Сr+6.

Задание 3. Определение количества сульфита натрия, необходимого для полного восстановления шестивалентного хрома. В пять колб емкостью 250 мл наливают по100 мл исходного хроматного раствора, в котором устанавливают выбранное предварительно во втором задании значение рН (с помощью раствора серной кислоты). Далее в этих растворах проводят восстановление ионов шестивалентного хрома раствором сульфита натрия, варьируя его количество из расчета 50, 100, 150, 200, 250 % по стехиометрии. Растворы перемешивают в течение пяти минут, и в каждом из них определяют остаточное содержание ионов шестивалентного хрома.

Опытные и расчетные данные заносят в табл. 6.3.

По результатам опытов строят график зависимости степени восстановления Сr+ 6 от количества вводимого Na2SO3.

Таблица 6.3

В результате проделанной работы определяют оптимальное значение величины рН реакционной смеси и минимальное количество сульфита натрия, необходимое для полного восстановления шестивалентного хрома.

42

Лабораторная работа 6.2

Очистка хромосодержащих сточных вод железом и его солями

Цель работы: произвести выбор оптимальных условий проведения процесса очистки хромсодержащих сточных вод: рН среды, времени эксперимента.

Необходимое оборудование и реактивы:

cпектрофотометр или фотоколориметр, позволяющий измерять оптическую плотность при длине волны λ =540 нм;

стандартный раствор бихромата калия (К2Сr2О7) 1 г/ л по С r+ 6 : растворить 2,8289 г соли в 200 мл дистиллированной воды, прилить 1,5 мл концентрированной НNО3 и разбавить до 1 л дистиллированной водой; раствор гидроксида натрия 10 %-ный 1 мл; раствор серной кислоты 10 %-ный 1 л; раствор серной кислоты 2 Н 1 л; раствор дифенилкарбазида 0,1 %-ный;

индикатор фенолфталеина 0,1 %-ный 20 мл; раствор соли двухвалентного железа; раствор аммиака 10 %-ный 100 мл; раствор фосфорной кислоты 96 %-ный 1 л.

Ход работы

Задание 1. Построить калибровочный график для определения ионов шестивалентного хрома в сточной воде фотометрическим способом. Данная методика используется для определения ионов хрома общего и шестивалентного при массовой концентрации от 0,01 до 1,0 мг/л. Если концентрация ионов хрома в анализируемой пробе выходит за границы диапазона, то в зависимости от необходимости, допускается разбавление или концентрирование.

Метод основан на реакции дифенилкарбазида в кислой среде с бихромат-ионами с образованием соединения фиолетового цвета, в котором хром содержится в восстановленной форме в виде Сr+3, а дифенилкарбазид окислен до дифенилкарбазона. Метод очень чувствителен: при λ=540 нм молярный коэффициент поглощения4,2 10 4. Норма погрешности измерений при доверительной веро-

ятности Р=0,95 не превышает 5%.

43

В одной пробе проводят окисление хрома трехвалентного до хрома шестивалентного персульфатом аммония в присутствии Ag+1 и определяют суммарное содержание в пробе обеих форм хрома, в другой порции пробы окисление не проводят и определяют только содержание хрома шестивалентного. По разности между полученными результатами находят содержание хрома трехвалентного.

Определению мешают ионы ртути Нg+2 и Hg2+2 в концентрациях выше 200 мг/л, шестивалентные ванадий и молибден также в концентрациях выше 200 мг/л. Железо (при концентрации более 1 мг/л) образует с дифенилкарбазидом соединение желто-бурого цвета, однако влияние железа устраняется добавлением фосфорной кислоты, что предусмотрено методикой.

Для построения калибровочного графика из стандартного раствора бихромата калия (концентрация 1 г/л) готовят 100 мл рабочего раствора с концентрацией по С r+ 6 1 мг/л. В мерные колбы объемом 100 мл помещают 0,0 (холостая проба); 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 15; 20 мл рабочего раствора. Добавляют 0,3 мл концентрированной фосфорной кислоты, 0,5 мл раствора 2 Н серной кислоты, 0,5 мл раствора дифенилкарбазида (следует соблюдать строгую последовательность добавления реактивов!), доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают. Через 10-15 минут определяют оптическую плотность растворов. Градуировочный график строят в координатах «оптическая плотность D - концентрация Сr+6».

Для определения хрома шестивалентного в сточной или природной воде в мерную колбу на 100 мл отбирают объем профильтрованной пробы, содержащей от 1 до 50 мкг Сr шестивалентного. Пробы нейтрализуют 0,1 Н раствором NaOH или 2 Н раствором H2SO4 (необходимое количество кислоты или щелочи устанавливают титрованием отдельной порции пробы). Затем добавляют те же реактивы, что использовались для калибровочных растворов, и определяют оптическую плотность раствора по отношению к холостой пробе. Концентрацию Сr+6 в растворе устанавливают по калибровочному графику. Содержание ионов хрома С(Сr+6) рассчитывают по формуле

где C - концентрация хрома, найденная по градуировочному графику, мг/л; 100 - объем, до которого разбавлена проба, мл; V - объем пробы, взятый для анализа, мл.

44

Для определения хрома в 100 мл пробы (неразбавленной, разбавленной или концентрированной) его нейтрализуют 0,1 Н раствором гидроксида натрия или 2 Н раствором серной кислоты (необходимое количество кислоты или щелочи устанавливают титрованием отдельной порции пробы). Затем добавляют 0,3 мл 2 Н раствора серной кислоты и 5-10 мл раствора персульфата аммония. Полученный раствор кипятят 20-25 минут (весь персульфат должен разложиться), выпаривают воду примерно до 50 мл, охлаждают, переносят в колбу емкостью 100 мл и далее продолжают анализ, как при определении хрома шестивалентного.

Определив суммарное содержание обеих форм хрома и содержание хрома шестивалентного, по разности находят содержание хрома трехвалентного.

Задание 2. Очистка сточных вод, содержащих шестивалент-

ный хром, железной стружкой. По калибровочному графику уточняют исходную концентрацию Сr+6 в сточной воде. Объем аликвоты определяют, исходя из ориентировочной концентрации хрома 80-100 мг/л.

Для проведения эксперимента собирают установку (рис.6.1).

Рис. 6.1. Восстановление шестивалентного хрома железной стружкой: 1 – химический стакан; 2 – электроды; 3 – бюретка; 4 – pH-метр; 5 – электромотор с мешалкой

45

Отбирают в химический стакан 500 мл сточной воды, доводят рН до нужного значения и заливают в реактор со стружкой. Включают компрессор и начинают отсчет времени, рН процесса поддерживают, добавляя из бюретки раствор кислоты (или щелочи). При этом определяют расход кислоты на установление первоначального значения рН и расход на его поддержание в реакторе.

По окончании проведения процесса проводят анализ на содержание Сr+6. Для этого 20 мл контрольной пробы (или больше – в зависимости от концентрации Сr+6) необходимо нейтрализовать в конической колбе до значения рН=8-9 в присутствии фенолфталеина. Таким образом, определяется необходимый для нейтрализации объем щелочи. Этот известный объем приливают ко второй пробе (объем аликвоты тот же). Образовавшийся осадок отфильтровывают, фильтрат анализируют на содержание Сr+6 с учетом разбавления пробы.

Для каждого проведенного эксперимента определяют эффективность процесса очистки, на основании чего выбирают оптимальные условия проведения процесса.

Задание 3. Очистка сточных вод, содержащих шестивалентный хром, раствором соли двухвалентного железа. Для проведения эксперимента собирают установку (рис.6.2).

Рис. 6.2. Восстановление шестивалентного хрома раствором двухвалентного железа: 1 – химический стакан; 2 – якорь магнитной мешалки; 3 – электроды; 4 – бюретки; 5 – pH-метр; 6 – магнитная мешалка

46

В химический стакан емкостью 1000 мл наливают 300 мл сточной воды. По калибровочному графику уточняют исходную концентрацию Сr+6 в сточной воде. Объем аликвоты определяют, исходя из ориентировочной концентрации хрома 80-100 мг/л. В сточную воду добавляют необходимое количество раствора двухвалентного железа, которое рассчитывают, исходя из уточненной концентрации хрома шестивалентного в сточной воде и концентрации раствора двухвалентного железа.

Проведение эксперимента, отбор проб, подготовка проб к анализу аналогичны предыдущему заданию 2. Для каждого проведенного эксперимента определяют эффективность процесса очистки, на основании чего выбирают оптимальные условия проведения процесса.

Лабораторная работа 6.3

Очистка сточных вод пероксидом водорода

Цель работы: изучение эффективности обесцвечивания сточных вод пероксидом водорода и влияния основных параметров проведения процесса (времени и дозы окислителя) на степень обесцвечивания.

Необходимое оборудование и реактивы:

фотоэлектроколориметр ФЭК-М; колбы емкостью 250 мл – 6 шт.;

мерные цилиндры емкостью 100 мл -2 шт.; рН-метр;

сточная вода, окрашенная красителем «Активный оранжевый ЖШ»

1 М 200 мл;

раствор пероксида водорода 1 Н 200 мл;

раствор медного купороса CuSO4·5H2O 1 Н 10 мл.

Ход работы

Задание 1. Построить калибровочную кривую. Для этого гото-

вят растворы сточной воды путем разбавления стандартного исходного раствора дистиллированной водой: рекомендуется применять разбавление в 2, 4, 8, 16, 32 раз.

По приготовленной серии эталонных растворов цветности строят калибровочную кривую Д=f(С), выражающую зависимость оп-

47

тической плотности окрашенного раствора от концентрации красителя. В качестве нулевого раствора используют дистиллированную воду. Измерения оптической плотности проводят на фотоэлектроколориметре ФЭК-М. Выбор светофильтра зависит от цвета окрашенного раствора.

Задание 2. Определить значение времени tопт, при котором достигается максимальное окисление красителя. В химический ста-

кан емкостью 200 мл заливают 10 мл окрашенного раствора сточной воды и соответствующий объем окислителя из расчета 300% от стехиометрии по уравнению реакции

H2О2 Н2О + [O]

C6H4(OCH3)(SO2C2H3)N=NC10H5(HSO3)2+23[О] 17Н2О + 19СО2 + N2,

считая, что окисление идет до конечных продуктов СО2 и Н2О.

Для ускорения протекания процесса окисления добавляют 10 мл 1Н раствора медного купороса.

Для расчета кинетики снижения цветности через интервалы времени (5, 15, 30, 45, 60 минут) отбирают пробы сточной воды для определения оптической плотности на фотоэлектроколориметре. Концентрацию красителя в растворе определяют по калибровочному графику, учитывая разбавление.

Снижение цветности рассчитывают по следующей формуле:

где Скраснач , Скраскон - начальная и конечная концентрация красителя в сточной воде соответственно, мг/л.

По результатам опытов заполняют табл. 6.4 и строят график зависимости снижения цветности от времени f (t) .

Таблица 6.4

48

По данным этой серии опытов определяют значение времени опт , при котором достигается максимальное окисление красителя,

приводящее к очищению сточной воды.

Задание 3. Определить концентрацию раствора пероксида водорода, с использованием которого происходит полная очистка сточной воды. В пять химических стаканов емкостью 250 мл заливают 100 мл окрашенного 1М раствора сточной воды и окислитель. Количество окислителя рассчитывают по уравнениям реакций, варьируя его количество из расчета 50, 100, 150, 200, 250% по стехиометрии. Для ускорения протекания процесса окисления в каждый стакан добавляют 10 мл 1 Н раствора медного купороса. Реакцию окисления ведут в те-

чение времени опт , выбранного во втором задании. Затем из каждого

стакана отбирают пробы сточной воды для определения оптической плотности на фотоэлектроколориметре. Концентрацию красителя в растворе определяют по калибровочному графику.

Снижение цветности рассчитывают по формуле 6.10.

По результатам опытов заполняют табл. 6.5 и строят график зависимости снижения цветности от концентрации окислителяСокисл (t) . По данным этой серии опытов определяют концентра-

цию раствора пероксида водорода, с использованием которой происходит полная очистка сточной воды.

Таблица 6.5

На основании полученных результатов делают вывод о проделанной работе.

7. Адсорбционные методы очистки сточных вод

Адсорбционные методы широко применяются для глубокой очистки сточных вод от растворимых в воде органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если

49

концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются высокотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80-95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины, адсорбционной поверхности и ее доступности, химического строения вещества и его состояния в растворе.

В качестве сорбентов используют активированные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, деревянные опилки). Минеральные сорбенты - глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции различных веществ из сточных вод используются редко, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика – иногда превышает энергию адсорбции.

Адсорбция - процесс самопроизвольного изменения концентрации вещества на границе раздела фаз твердое тело-газообразное (жидкое). Различают два вида адсорбции: физическую и хемосорбцию (химическую) адсорбцию. Физическая адсорбция обусловливается силами межмолекулярного взаимодействия, возникающими между молекулами (атомами) твердой фазы, находящимися на поверхности, и молекулами раствора. При хемосорбции адсорбция завершается химическим взаимодействием адсорбируемой молекулы с поверхностью твердой фазы. Вещество, на поверхности которого идет процесс адсорбции, называется адсорбентом. Адсорбирующееся вещество называется адсорбтивом. Адсорбция – самопроизвольно протекающий процесс, сопровождающийся убылью энергии Гиббса.

Одной из важнейших характеристик адсорбентов является пористость. Объемной пористостью называют отношение суммарного объема пор к общему объему дисперсной системы. Так, непористые (сплошные) частицы даже при плотной их упаковке образуют пористую структуру – порошковую мембрану, поры которой являются про-

50