основы экологии лабораторный практикум 2009

ошибки в получаемых данных и резко повысить производительность анализов

8.2Приборы и оборудование

1. рН-метр типа рН-673 М; 2. термометр; 3. индикаторная бумага

8.3Порядок выполнения работы

1. Измерить температуру сточной воды

2. Измерить рН сточной воды

3. Определить запах и цвет сточной воды

4. Определить степень разбавления воды

5. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.3

6. Сделать выводы о качестве сточной воды.

Температуру сточной воды определяют термометром, рН исследуемой воды определяют используя индикаторную бумагу и рН-метр типа рН-673 М; цвет и запах определяют органолептически.

8.3.1 Определение концентрации ионов водорода (рН) сточных вод

Для ориентировочного определения рН сточных вод используется индикаторная бумага. Для этого ее опускают на несколько секунд в исследуемую воду, затем вынимают и сравнивают цвет с эталоном.

Более точно рН сточных вод определяют электрометрическим способом, пользуясь рН-метром со стеклянными электродами. Метод основан на том, что при изменении рН в жидкости на единицу потенциал стеклянного электрода изменяется при 250С на 59,1 мВ, при 200С на 58,1 мВ.

При определении рН сточных вод необходимо особое внимание уделять чистоте обоих электродов, поскольку сточные воды часто содержат жиры, масла, нефтепродукты и другие вещества, покрывающие электроды пленками. Электрод следует обтирать тонкой, мягкой тканью, смоченной эфиром или раствором синтетического моющего вещества, затем промывать несколько раз дистиллированной водой, вытирая после каждого промывания таким же куском ткани для удаления моющего вещества. В нерабочее время электрод следует хранить в дистиллированной воде.

Для определения рН используется рН-метр типа рН-673М. Перед измерением прибор включают в сеть нажатием кнопки и прогревают не менее 30 мин. В стакан вместимостью 50-100 см3 наливают 40±5 см3 исследуемой воды и в нее погружают электроды прибора. Электроды не должны касаться стенок и дна стакана. Ручку переключателя рода работ устанавливают в положение рН, а ручку переключателя диапазонов измерения устанавливают в положение 1-14. По нижней шкале производят приблизительный отсчет

показаний. Затем ручку переключателя диапазонов измерения переключают на

41

более узкий диапазон (1-14; 4-9; 9-14) и через 10-15 с снимают показания прибора по верхней шкале (по зеркалу).

8.3.2 Определение запаха воды

Определение запаха воды проводят в натуральной сточной воде не позднее конца дня отборы пробы. Запах сточной воды определяют качественно при открывании бутылки с пробой. Если запах не ясен, следует отлить небольшое количество воды в колбу, закрыть часовым стеклом и подогреть до 600С. Запах сточной воды записывают следующим образом: гнилостный, фекальный, керосиновый, фенольный, сероводородный, неопределенный и т.д. Интенсивность запаха определяют по пятибалльной системе:

0 – запах отсутствует;

1– запах очень слабый, неопределенный;

2– запах слабый, но определенный;

3– запах умеренный;

4– запах сильный;

5– запах очень сильный.

8.3.3 Определение цвета воды

Цвет воды устанавливают визуальным наблюдением или измерением оптической плотности на спектрофотометре при различных длинах волн проходящего света.

При визуальном наблюдении цвет воды определяют после отстаивания пробы. Пробу воды наливают в цилиндр с ровным плоским дном. Высота столбика воды должна быть равна 10 см. Рассматривают пробу в цилиндре сверху на белом фоне при рассеянном дневном освещении. Результат записывают словесно: бесцветная, слабожелтая, красноватая, буроватая, желтозеленая, синяя, пурпурная и т.п.

8.3.4 Определение степени разбавления сточных вод

По правилам спуска сточных вод в водоемы требуется, чтобы вода в водоеме после смешивания ее со сточной водой не имела видимой окраски при толщине слоя 10 см.

Для определения степени разбавления воды на белый лист бумаги помещают три цилиндра диаметром 20-25 мм из бесцветного стекла. В первый цилиндр наливают дистиллированную воду с высотой слоя 10 см. Во второй цилиндр наливают такое же количество исследуемой сточной воды. В третий цилиндр наливают в таком же объеме разбавленную сточную воду, увеличивая каждый раз, степень разбавления (1:1, 1:2, 1:3 и т.д.), пока при рассматривании сверху через воду во втором и третьем цилиндрах бумага не будет выглядеть одинаково белой.

Нахождение того разбавления, которое требуется для исчезновения

42

окраски, устраняет необходимость определять количественное содержание в воде тех веществ, для которых установлена ПДК по цветности.

Таблица 8.3 – Показатели качества производственных сточных вод

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

43

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА В СТОЧНОЙ ВОДЕ

Цель работы: 1) Ознакомление с принципом измерения концентрации кислорода в воде.

2)Определение концентрации кислорода в сточных водах.

3)Измерение температуры сточных вод.

9.1Теоретическая часть

Загрязнение рек, озер, болот Беларуси происходит с нарастающей скоростью, так как в водоемы поступает большое количество органических и неорганических веществ. Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (окраски, запаха, вкуса и т.д.), увеличение содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, радионуклидов, а также сокращение растворенного в воде кислорода воздуха.

Количество кислорода, растворенного в воде, имеет большое значение для оценки состояния водоема. Его снижение указывает на резкое изменение биологических процессов в водоемах, а также на загрязнение водоемов веществами, биохимически интенсивно окисляющимися.

Концентрация растворенного кислорода в воде зависит, кроме того, от природных факторов – атмосферного давления, температуры воды, содержания растворенных солей. Концентрация кислорода в воде для питьевого и бытового использования должна быть не менее 4 мг/л в любой период года.

9.2 Принцип измерения концентрации кислорода

Воснову принципа определения растворенного в воде кислорода положен полярографический метод анализа. С помощью этого метода измеряется предельный диффузионный ток при напряжении, которое соответствует восстановлению на индикаторном электроде молекулярного кислорода, содержащегося в воде.

Вприборе АЖА-101М применен полярографический датчик растворенного кислорода с внешним источником поляризации индикаторного электрода (катода) по отношению к вспомогательному электроду (аноду).

Катод и анод датчика погружены во внутренний раствор электролита, который отделен от анализируемой среды мембраной, проницаемой для кислорода, но непроницаемой для ионов и паров воды. Кислород из анализируемой среды диффундирует через мембрану в тонкий слой раствора между катодом и мембраной и вступает в электрохимическую реакцию на поверхности катода, который поляризуется внешним напряжением Е,

приложенным между электродами.

44

При нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт.ст.) парциальное давление кислорода воздуха и ток датчика, процент же содержания кислорода в воздухе остается неизменным.

При измерении растворенного в воде кислорода целесообразно проводить калибровку по воде, насыщенной кислородом воздуха, учитывая, что при 100% насыщении парциальное давление кислорода, растворенного в воде, равно парциальному давлению кислорода в воздухе. При этом следует учитывать, что растворимость кислорода в воде меняется пропорционально изменению парциального давления кислорода в воздухе.

Растворимость кислорода при других давлениях определяется из соотношения:

S/ S P , 101,3

где S/ - растворимость кислорода при атмосферном давлении Р, мг/л;

S – растворимость кислорода при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт.ст.), мг/л;

Р– атмосферное давление, кПа.

9.3Устройство и принцип работы кислородомера АЖА-101М

Кислородомер АЖА-101М предназначен для оперативного измерения содержания растворенного кислорода в воде. Прибор состоит из преобразователя, полярографического датчика растворенного в воде кислорода и арматуры измерительного устройства и представлен на рисунке 9.1.

Преобразователь состоит из соединенных винтами пластмассовой крышки и корпуса, уплотненных резиновой прокладкой. На крышке расположен жидкокристаллический индикатор и органы управления для включения преобразователя, выбора режима измерения и настройки. На боковой и задней стенках корпуса размещены вспомогательные органы настройки и разъемные соединения для подключения вилок кабелей измерительного устройства и блока сетевого питания. В нижней части корпуса расположен отсек для размещения четырех элементов типа «316». Электрический монтаж выполнен на двух печатных платах, закрепленных внутри корпуса и крышки преобразователя.

Проверку работоспособности прибора АЖА-101М проводят следующим образом:

-подключить вилку кабеля измерительного устройства к преобразователю;

-нажать кнопку «ВКЛ/ВЫКЛ.» и при питании от автономного источника убедиться в его работоспособности;

45

1 – крышка; 2 – корпус; 3 – крышка отсека элементов питания; 4 – вилка подключения измерительного устройства;

5 – гнездо подключения блока сетевого питания; 6 - индикатор

Рисунок 9.1 – Кислородомер АЖА-101М

9.4 Определение концентрации кислорода, растворенного в воде и температуры воды

Концентрацию кислорода, растворенного в дистиллированной воде при данном атмосферном давлении определяют по формулам:

А100 Р ,

Ро

А/ St Р ,

Ро

где А(А/) - значение концентрации кислорода, растворенного в дистиллированной воде, % О2 (мг/л);

Р – атмосферное давление, кПа (мм рт.ст); Ро – нормальное атмосферное давление 101,3 кПа (760 мм рт.ст.);

St – растворимость кислорода в дистиллированной воде при температуре t 0C и нормальном атмосферном давлении, мг/л (см. таблицу 9.1)

46

Таблица 9.1 – Растворимости кислорода в дистиллированной воде, насыщенной воздухом при давлении 101,3 кПа (760 мм рт.ст.)

Подключаем кислородомер к электрической сети, погружаем измерительное устройство в анализируемую воду на глубину не менее 100 мм и нажимаем кнопку «ВКЛ/ВЫКЛ». Далее при помощи кнопки «РЕЖИМ» на

индикаторе устанавливаем режим измерения О2 в мг/л или % или температуру воды в 0С.

Полученные значения кислорода в воде и температуру воды заносят в таблицу 9.2.

Таблица 9.2

47

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОКИСИ УГЛЕРОДА И УГЛЕВОДОРОДОВ В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Цель работы: 1) Ознакомление с работой газоанализаторов ГИАМ-29 и «Автотест»

2)Определение окиси углерода (СО) и углеводородов (СН) в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

10.1Теоретическая часть

Выбросы от автомобильного транспорта составляют около 80% от всех выбросов в атмосферу.

Автомобильный транспорт наиболее агрессивен в сравнении с другими видами транспорта по отношению к окружающей среде. Он является мощным источником ее химического (поставляет в окружающую среду громадное количество ядовитых веществ), шумового и механического загрязнения. Следует подчеркнуть, что с увеличением автомобильного парка уровень вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду интенсивно возрастает.

Так, если в начале 70-х годов учёные-гигиенисты определяли долю загрязнений, вносимых в окружающую среду автомобильным транспортом, в среднем равной 13%, в 90-ые – уже достигла 50%, то в настоящее время она достигла 72% и продолжает расти, что создаёт серьёзную экологическую проблему для крупных промышленных городов, сопровождающую урбанизацию.

Наибольшая доля химического загрязнения ОС автомобильным транспортом приходиться на газы двигателей внутреннего сгорания. Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива в ДВС в результате взаимодействия углерода и водорода топлива с кислородом воздуха образуется углексилый газ и водяной пар. Практически же вследствие физикохимических процессов в цилиндрах ДВС действительный состав отработанных газов включает более 200 компонентов, значительная часть которых токсична (таблица 10.1)

К токсичным компонентам отработавших газов относятся: оксид углерода (СО), углеводороды (СН), оксиды азота (NО) и серы, альдегиды, сажа, бенз-а-пирен и др.

Причиной образования СО и частично углеводородов является неполное сгорание углерода (массовая доля которого в бензинах достигает 85%) из-за недостаточного количества кислорода. Концентрации СО и СН в отработанных газах возрастают при обогащении смеси (α<1).

48

Содержание оксидов азота при наличии избыточного кислорода тем больше, чем выше максимальная температура цикла.

Таблица 10.1 – Ориентировочный состав отработанных газов ДВС – карбюраторных и дизельных.

Оксид углерода (СО) – бесцветный, не имеющий запаха газ. Плотность СО меньше, чем воздуха, и поэтому он легко распространяется в атмосфере. Поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью. Это объясняется тем, что поглощаемость СО кровью в 240 раз выше поглощаемости кислорода. Повышенные концентрации СО опасны и тем, что в результате кислородного голодания организма ослабляется внимание, замедляется реакция, падает работоспособность.

Углеводородные соединения при экспериментальных исследованиях вызывали раковые заболевания у животных. Особенно опасными из групп СН является многоядерный ароматический углеводород бенз-а-пирен – вещество, представляющее собой кристаллы желтого цвета – канцерогенное вещество. В местах непосредственного контакта с тканью появляются злокачественные опухоли, в случае попадания этих веществ с пылью, через дыхательные пути в легкие, они оседают в организм.

Концентрацию токсичных компонентов в отработавших газах оценивают в объемных процентах, в миллионных долях по объему – млн-1, ррm (частей на миллион, 10000 ррm=1% по объему) и реже в мг на 1л отработанных газов.

По данным исследований, легковой автомобиль при среднегодовом пробеге 15 тыс. км «вдыхает» - 4,36 т кислорода (О2) и «выдыхает» 3,25 тонн углекислого газа (СО2), 0,8 тонн (СО) оксида углерода, 0,2 тонны углеводородов (СН). В отличие от промпредприятий, выброс которых концентрируется в определенной зоне, автомобиль «рассеивает» продукты неполного сгорания топлива практически по всей территории городов, причем непосредственно в приземном слое атмосферы.

В Республике Беларусь в окружающую среду выбрасывается в среднем 1400 тыс. тонн загрязняющих веществ (автотранспорт – 1008 тыс. тонн,

49

промышленные предприятия – 28% или 392 тыс. тонн).

В составе выбросов в атмосферу преобладает СО – 57%, углеводороды –

19%, NO – 11%, большая часть (СО – 87%, СН – 68%, NO – 58%) от автотранспорта.

10.2 Устройство и принцип работы газоанализаторов ГИАМ-29 и «Автотест»

Раньше для определения содержания СО применялись приборы, работа которых основана на определении теплоты сгорания СО на каталитической активной платиновой спирали. Точность этих приборов была не высокая (+10%) и в дальнейшем разрабатывались и внедрялись более точные приборы такие как многокомпонентный газоанализатор «Автотест-01, 02», газоанализатор ГИАМ-29 (рисунок 10.1), предназначенные для контроля технического состояния ДВС и определения содержания окиси углерода (СО), углеводородов (СН) по гексану в выхлопных газах ДВС с принудительным поджогом топлива.

В газоанализаторе ГИАМ-29 использован оптико-абсорбционный метод анализа газа, основанный на измерении поглощения инфракрасной (ИК) энергии излучения анализируемым компонентом.

1- сегменты индикатора «Насос»; 2 – сегменты индикатора «Тест»; 3 – сегменты индикатора «СН» сигнализируют о выдаче на правый индикатор концентрации гексана; 4 – сегменты индикатора «об/мин»; 5 – индикатор СО; 6 – индикатор СН/об/мин;

7 – кнопка «Насос» для включения-выключения побудителя расхода; 8 – кнопка «Калибр.0» для калибровки «0» СО и СН; 9 – кнопка «Печать»;

10 – кнопка «СН» - «об/мин» для включения правого табло; 11 – кнопка «Контроль»: а)давления; б) количества цилиндров карбюраторного двигателя; в) концентрации; кнопки

«+» и «-», служащие для изменения значений («+» - увеличение, «-» - уменьшение) параметров, выбранных кнопкой «Контроль»; 14 – кнопка «Вывод» для запоминания значений, выбранных кнопкой «Контроль»; 15 – ротаметр для визуального контроля расхода; 16 – розетка «Пульт»; 17 – фильтр контрольный «Контроль»; 18 – штуцер «Выход»;

19 – штуцер «Вход»

Рисунок 10.1 – Газоанализатор ГИАМ-29. Общий вид

50