9.5. Загальні кількісні характеристики якості вод

Визначення загальних фізичних характеристик води

До фізичних показників води слід віднести колір, запах, каламутність, швидкість осідання завису, густину. Деякі з них можна оцінювати органолептично, а деякі вимірювати.

Колір природної води зумовлений підвищеним вмістом феруму – коричневий, глинистих речовин – жовтуватий, водоростей та інших мікроорганізмів – зеленуватий, червонястий. Колір стічної води вказує на присутність у ній певних речовин. Для визначення кольору воду не консервують, а відстоюють 2 год, потім фільтрують. Вимірюють оптичну густину води відносно дистильованої при різних довжинах хвилі при товщині шару 10 см. Колір води є доповнюючим до кольору світла, яке максимально поглинається. Можна визначити колір в градусах за дихроматно-кобальтовою шкалою, яку отримують, змішуючи у різних пропорціях ці речовини.

Запах. Якісне визначення запаху води проводять при кімнатній температурі, нагріваючи її до 50-65С у посуді, закритому годинниковим склом. Випробування проводять у приміщенні без сторонніх запахів. Запах визначають описово:

землистий – запах вологого ґрунту; торф’яний, трав’яний; затхлий, болотний; гнильний, запах цвілі; запах сіна, що гниє; ароматний;

хлорний - запах вільного хлору; сульфідний; фенольний; запах нафти; аптечний; рибний.

Інтенсивність запаху оцінюють у п’ятибальній шкалі: 0 – без запаху, 1, 2– дуже слабкий і слабкий, 3 – помітний, 4 – виразний, 5 – дуже сильний. Запах води спочатку оцінюють органолептично, а потім воду розбавляють декілька разів до тих пір, поки запах зникне. Визначають порогову концентрацію запаху – найменшу концентрацію (найбільше розбавляння), при якій запах ще відчутний.

Визначення грубодисперсних домішок. Природні та стічні води містять суспензію з частинок різного ступеня дисперсності. Приблизно можна визначити вміст цих домішок візуальними спостереженнями. Вода може бути:

опалесціююча – каламутна у відбитому світлі;

каламутна – непрозора у відбитому світлі та у світлі, яке пройшло;

з великими зависями – візуально помітні частинки, які при відстоюванні через 5-6 год випадають в осад.

Каламутність води можна оцінити турбідиметрично, використовуючи як стандартні розчини глинисту суспензію, стабілізовану гексаметафосфатом натрію. Вимірювання проводять у кюветах товщиною 5 см. Так можна оцінити каламутність, якщо вміст завислих речовин не перевищує 100 мг/л.

Вміст грубодисперсних домішок визначають, фільтруючи воду через фільтрувальні тиглі. Для цього через фільтрувальний тигель, попередньо доведений до сталої маси, пропускають 100-500 мл неконсервованої та невідстояної води. Тигель із залишком сушать при 100-105С протягом 2 год і доводять до сталої маси. Так визначають вміст грубодисперсних домішок (мг/л) органічних та неорганічних речовин. Якщо використовують кварцовий або порцеляновий фільтрувальний тигель, то можна визначити окремо вміст неорганічних речовин у домішках, для чого тигель після висушування при 100С прожарюють при 600С протягом 10-15 хв. За різницею визначають масу неорганічних речовин, оскільки органічні повинні при цій температурі розкластися.

Використовуючи градуйовані циліндричні ємності, у які заливають добре перемішану порцію води з грубодисперсними домішками, можна встановити швидкість осідання завислих частинок. Слідкують за висотою підняття осаду від дна через однакові проміжки часу, наприклад через 5 хв.

Густину води визначають пікнометром при сталій температурі.

Окисний потенціал води – це важливий показник, який вказує на переважання у воді окисних чи відновних процесів. Величина окисного потенціалу найбільше залежить від вмісту у ній О₂ як окисника та відновників, серед яких переважно H₂S. Тому визначення необхідно провести відразу після відбору проби. Якщо вода має достатньо кисню, тобто окисне середовище, то її потенціал досягає +700 мВ. В умовах відновного середовища, в якому проходить розклад органічних речовин без окиснення і накопичуються відновники, особливо сульфіди, значення потенціалу понижується до –100 мВ.

Вимірювання проводять без доступу повітря (кисню). Особливо це стосується вод з великим вмістом відновників. Вимірювання проводять потенціометром за шкалою у mV з платиновим електродом. Спочатку воду бажано пропустити через комірку 5 хв для усунення з неї повітря і кисню. Проводять заміри потенціалу, а потім повторно через 10 і 20 хв. Одержані результати повинні співпадати. Якщо відхилення потенціалу становить 5 мВ, то продовжують заміри з інтервалом 10 хв, поки не встановиться рівновага. На вимірювання окисного потенціалу води негативно впливають поверхнево-активні речовини та Mn²⁺, який перетворюється у MnO(OH)₂.

Визначення вмісту солей у воді (мінералізації води)

Під мінералізацією води розуміють вміст розчинених неорганічних речовин. Спочатку визначають розчинені речовини. Для цього дві порції води по 50-250 мл фільтрують, поміщають у порцелянові або кварцові чашки та випаровують насухо. Чашки із залишком висушують до сталої маси при 100-105С. Маса залишку вказує на вміст у воді в розчинному стані неорганічних та стійких при 100С органічних речовин (сухий залишок). Другу порцію води після випаровування при 105С прожарюють при 600С, щоб добитися руйнування органічних речовин. Маса залишку відповідає вмісту лише неорганічних речовин, отже, мінералізації води.

Мінералізацію можна визначати також фізико-хімічними методами.

За електропровідністю знаходять вміст електролітів у воді. Для цього кондуктометрично визначають питому електропровідність води при 25С в умовах термостатування. Проводять аналіз не пізніше як через добу після відбору (розділ 10.3).

Визначення не проводять, якщо у воді є поверхнево-активні речовини.

• Методом іонообмінної хроматографії знаходять сумарний вміст солей у воді. Воду пропускають через сильноосновний катіоніт у Н⁺-формі. Катіони макроелементів з води обмінюються на кислоту, яку визначають кислотно-основним титруванням.

Спочатку через колонку з катіонітом пропускають розчин 0,100 М HCl, після чого її надлишок вимивають водою.

Відбирають 10,00 мл води і пропускають через підготовлену колонку зі швидкістю 1 крапля/с. Розчин, який витікає, збирають у колбу для титрування. Для повного вимивання кислоти через колонку додатково пропускають 50-80 мл дистильованої води і збирають в ту саму колбу. Одержаний розчин кислоти титрують 0,100 М стандартизованим розчином NaOH з індикатором фенолфталеїном.

Вираховують загальний вміст солей у воді:

С = C_E(NaOH)V(NaOH)100 (ммоль/л).

Визначення загального вмісту органічних речовин у воді за окиснюваністю (хімічного споживання кисню ХСК)

Окиснюваність води (ХСК) – це кількість сильного окисника, який окиснює органічні речовини в одиниці об’єму води. Кількість окисника є еквівалентною до кількості кисню, який міг би окиснити речовини. Переважно під окиснюваністю розуміють загальний вміст розчинених органічних речовин (див. розділ 4.2). Вода вважається питною, якщо ХСК<5 мг О/л, придатною для господарських цілей при ХСК<30 мг О/л. Елементи C, H, S, P та інші в органічній речовині дією сильного окисника окиснюються до СО₂, Н₂О, Р₂О₅, SO₃, а нітроген у кислому середовищі утворює NH₄⁺.

Методи, які використовуються для визначення ХСК, дають результати, близькі до теоретичного значення, однак можливі відхилення. У процесі визначення ХСК разом з органічними сполуками окиснюються неорганічні відновники. Їх вміст попередньо визначають і віднімають від знайденого значення ХСК.

Розрізняють такі методи залежно від застосовуваного окисника: перманганатний, йодатний, дихроматний та церієвий. Максимальне окиснення органічних речовин у воді досягається, якщо застосовувати дихроматний та йодатний методи у присутності концентрованої сульфатної кислоти.

Для аналізу питних вод, які містять <300 мгСl^-/л, застосовують перманганатний метод з йодометричним закінченням. Недоліки методу – у процесі кип’ятіння розчинів надлишок перманганату розкладається:

2HMnO₄ = H₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.

Визначення ХСК треба проводити у свіжовідібраних пробах. Якщо це неможливо і аналіз буде проведений не пізніше, ніж через 48 год, то пробу консервують, додаючи розведену (1:2) H₂SO₄.

Перш ніж визначати ХСК, воду фільтрують через мембранний фільт (паперовий попередньо промивають гарячою водою). Якщо фільтрування недопустиме (у воді є речовини, які легко окиснюються на повітрі), то воду тривалий час відстоюють, а для аналізу відбирають верхній шар.

Дихроматний арбітражний метод визначення ХСК. Органічні речовини окиснюють дихроматом:

C₆H₁₂O₆ + 4Cr₂O₇^2- + 32H⁺ = 6CO₂ + 22H₂O + 8Cr³⁺,

надлишок якого відтитровують розчином солі Fe(ІІ) за наявності фероїну як індикатора, або потенціометрично:

Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺ 2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O.

Окиснення прискорюється та охоплює майже всі органічні сполуки, якщо використовувати як каталізатор Ag₂SO₄.

Суміш води, окисника, концентрованої сульфатної кислоти та каталізатора вносять у колбу, закривають корком зi зворотним холодильником та нагрівають 2 год при слабкому кипінні. Після охолодження суміш кількісно переносять у конічну колбу, розбавляють дистильованою водою, додають індикатор, а тоді відтитровують надлишок калій біхромату розчином солі Мора. Одночасно виконують сліпу пробу з 50,00 мл дистильованої води.

Результат визначення ХСК становить 95-98% від теоретичного. В деяких органічних речовинах нітроген окиснюється з утворенням N₂ замість NH₄⁺, що веде до помилки визначення ХСК. Дихроматом не окиснюються або повільно окиснюються піридин і його гомологи (пірол, піролідин), нікотинова кислота, інші нітрогеновмісні вуглеводні, парафін і нафталін. Сильно забруднену воду перед окисненням розводять.

Якщо проба містить неорганічні відновники, то їх кількість визначають окремо іншими методами і вміст віднімають від результату визначення ХСК. При цьому не враховують вмісту H₂S та SO₂, оскільки під час додавання H₂SO₄ вони видаляються. Хлорид-іони окиснюються до хлору, тому хлорид маскують меркурій (ІІ) сульфатом з утворенням малодисоційованого [HgCl₄]^2-. У випадку великої кількості хлоридів та органічних сульфідів до проби води спочатку додають дихромат, потім меркурій (ІІ) сульфат, щоб утворився осад HgS, а лише тоді сульфатну кислоту та кип’ятять.

Визначенню заважають іони NO₂^-. Для їх видалення додають сульфанілову кислоту і пробу кип’ятять:

H₂NSO₂OH+HNO₂ N₂­+H₂SO₄+H₂O;

H₂NSO₂OH+H₂O NH₄HSO₄.

Величину ХСК, як число мг О/л, обчислюють за формулою:

, мг О/л.

Величина проби води, яку аналізують, різна. Якщо ХСК води є в межах 50-500 мгО/л, то на аналіз беруть 10,0 мл проби; в межах 500-4000 мг О/л, то відбирають 1,0 мл проби і розбавляють дистильованою водою; якщо понад 4000 мг О/л, то пробу розбавляють. У випадку, коли ХСК води менше за 50 мг О/л, цей метод застосовувати не можна.

Прискорений дихроматний метод визначення ХСК використовують для серійного аналізу з метою контролю за станом води у водоймі. Результати визначення ХСК можуть бути дещо заниженими, особливо за наявності речовин, які важко окиснюються (ацетатна кислота, бензол та ін.). Особливість методу полягає у використанні великого надлишку концентрованої сульфатної кислоти (7,5 мл на 1,00 мл проби води), яка під час розчинення підвищує температуру розчину до 100°С. Через 2 хв охолоджують розчин до кімнатної температури, додають 100 мл дистильованої води і титрують надлишок дихромату розчином солі Fe (ІІ).

Перманганатний метод (Кубеля) визначення ХСК ґрунтується на окисненні речовин перманганатом у сульфатно-кислому середовищі. Застосовується для аналізу питної та поверхневих слабко забруднених вод, які містять до 300 мг/л Cl^-.

Для визначення залишкової концентрації KMnO₄ в ту ж колбу до гарячого розчину доливають 0,005 М розчин H₂C₂O₄ і титрують 0,00200 М розчином KMnO₄ до рожевого забарвлення, яке не зникає протягом 1 хв. Обчислюють окиснюваність:

мг О/л.

Заважають визначенню відновники: Cl^-, S^2-, NO₂^-, Fe(II).

Фотометричне визначення перманганатної окиснюваності питної води. Оскільки вміст органічних речовин у природних водах можна вимірити в УФ діапазоні електромагнітного випромінювання при =254 нм, то орієнтовну величину перманганатного окиснення (ПО) води можна оцінити за вимірюванням оптичної густини води при цій довжині хвилі за формулою: ХСК_(ПО)= 27,7А₂₅₄ (Хоффманн М., Галаган А.А., 1999).

Співвідношення ХСК / m(С_орг.) вказує орієнтовно на тип органічних речовин, які є у воді:

.

Це співвідношення має найменше значення для Н₂С₂О₄, вважаючи, що окисником є кисень:

3H₂C₂O₄+Cr₂O₇^2-+4H⁺ = 6CO₂+2Cr³⁺+7H₂O

або 2Н₂С₂О₄+О₂ = 2Н₂О+4СО₂, тоді

.

Якщо співвідношення ХСК/m(С_орг.) більше за 4,1, то у воді в основному знаходяться похідні метану. Наприклад, для окиснення метану:

СH₄+2О₂=2Н₂О+СО₂,

.

При співвідношенні, більшому за 3, вода забруднена речовинами з великим вуглецевим ланцюгом, при 2,7-2,8 – речовинами білкової природи, при 2,67 – вуглеводами.

Визначення розчиненого у воді кисню

Вміст кисню у воді має значення для оцінки її корозійних властивостей, придатності для рибних господарств (4–6 мг/л). У дистильованій воді при температурі 20С вміст розчиненого кисню становить 9 мг/л, у поверхневих водах – 6-10 мг/л, а в період найбільш інтенсивного фотосинтезу досягає 16 мг/л. Визначають кількість розчиненого кисню у воді, яка була піддана хімічній та біохімічній очистці, а також як один з етапів аналізу при визначенні біохімічного споживання кисню. Визначення необхідно проводити відразу після відбору проби води.

Методом Вінклера визначають кисень при його орієнтовному вмісті, не меншому, ніж 0,2-0,3 мг/л. Якщо у воді є відновники, то визначення проводять модифікованим методом Росса.

Суть визначення полягає в окисненні розчиненим у воді киснем манган (ІІ) гідроксиду до манган (ІV) гідроксиду з наступним його відновленням йодидом. В основі лежать такі реакції:

2Mn(OH)₂ +О₂ 2MnO(ОН)₂,

MnO(ОН)₂+ 4H⁺ + 2J^- Mn²⁺ + J₂ + 3H₂O,

Виділений йод титрують стандартизованим розчином тіосульфату:

J₂+ 2S₂O₃^2-  2J^-+S₄O₆^2-.

За наявності у воді відновників (S^2-, SO₃^2-, NO₂^-) їх попередньо окиснюють натрій гіпохлоритом, надлишок якого відновлюють калій тіоціанатом. Якщо вода містить активний хлор, то його теж видаляють додаванням калій тіоціанату. Відбуваються такі реакції:

Red+ClO^-+ 2H⁺  Ox+Сl^-+ Н₂O,

4СlO^- +SCN^-+2OH^- OCN^- +4Сl^- +SO₄^2- +H₂O.

Після цього аналіз завершують за методом Вінклера.

Перед аналізом пробу води певним чином підготовляють.

• Воду перед визначенням не фільтрують, а лише відстоюють.

• Якщо важкорозчинні зависі погано відділяються відстоюванням, то пробу води освітлюють додаванням Al(OH)₃ (на 1 л води - 10 мл 10% розчину KAl(SO₄)₃12H₂O та 2 мл концентрованого розчину NH₃).

• У присутності зависів та мікроорганізмів, здатних засвоювати кисень, до води, крім Al(OH)₃, додають дезінфікуючі речовини: сульфамінову кислоту або меркурій (ІІ) хлорид (на 1 л води – 10 мл суміші NH₂SO₃H з HgCl₂).

• Якщо зависі добре відділяються при відстоюванні, однак вода містить мікроорганізми, то додають лише дезінфікуючі речовини (10 мл суміші сульфамінової кислоти та мідного купоросу (45 мл 0,67 М розчину NH₂SO₃H змiшують з 45 мл 0,4 М СuSO₄5H₂O та 2,5 мл концентрованої СH₃COOH i доводять водою до 100 мл).

• Пробу води зберігають у посуді так, щоб під корком не залишилось повітря.

• Іони Fe(ІІІ) зв’язують фторидом (на 1 л води перед розчиненням осаду гідрооксидів кислотою додають 1 мл 20% розчину NaF), або фосфатом (осад гідрооксидів розчиняють у 10 мл 25% Н₃РО₄).

• NO₂^- видаляють сечовиною.

У склянки з водою піпеткою вводять точно відомий об’єм розчину солі мангану, потім іншою піпеткою розчину КОН. Після випадання осаду в склянку вводять піпеткою 10,0 мл розчину H₂SO₄ (1:4) або 25% розчину H₃PO₄ i 0,3 мл 20% розчину сечовини. Закриту склянку перемішують, після чого воду кількісно переносять у колбу та приливають 2 мл розчину калій йодиду. Через 5 хв виділений йод відтитровують розчином натрій тіосульфату з крохмалем. Аналізують три-п’ять паралельних проб. Обчислюють вміст розчиненого у воді кисню:

де V₁ – об’єм склянки, мг/л;

V₂ – сумарний об’єм доданих реактивів, якими зв’язували кисень.

Полярографічне визначення кисню ґрунтується на вимірюванні висоти хвилі відновлення його:

О₂+2 +2Н⁺Н₂О₂,

Н₂О₂+2 +2Н⁺2Н₂О.

Величина потенціалу залежить від рН. Для аналізу застосовують першу хвилю на фоні насиченого NaCl або 70% NaOH. При визначенні заважають інші деполяризатори. Щоб усунути їх вплив, спочатку визначають висоту хвилі у пробі води, а потім через воду пропускають інертний газ для видалення кисню і знову одержують хвилю. Різниця висот цих двох хвиль відновлення відповідає вмісту лише кисню. Для побудови градуйованого графіка готують дистильовану воду з точно відомим вмістом О₂.

Визначення біохімічного споживання кисню (БСК)

Біохімічним споживанням кисню (БСК) називають кількість О₂, який повинен затратитися на окиснення в 1 л води органічних речовин за участю аеробних мікроорганізмів, однак без затрати кисню на процес нітрифікації. Це кількість кисню, спожитого мікроорганізмами у процесі життєдіяльності. Величина біохімічного споживання кисню є менша за величину хімічного споживання кисню.

Стандартно встановлення величини біохімічного споживання кисню триває 5 діб при 20С без доступу світла і повітря. Повне біохімічне споживання кисню визначають протягом 20 діб, але може бути і менше. Фактично визначення припиняють у момент появи у пробі води NO₂^- в концентрації 0,1 мг/л. Можна визначати БСК за умови пригнічення діяльності нітрифікуючих бактерій, тоді біохімічно окиснюються лише органічні речовини.

Визначення БСК полягає у контролі вмісту розчиненого кисню у воді протягом всього експерименту. Загалом протягом 5 діб вміст кисню може понизитися на 2 мг/л, а залишковий вміст повинен становити 3 мг/л. Це відповідає вимозі протікання аеробних процесів протягом всього експерименту.

Перед визначенням пробу води підготовляють.

• Якщо величина БСК надто велика, то проби води розбавляють.

• Воду з завислими частинками відстоюють півгодини або з неї відфільтровують зависі.

• Якщо вода надто кисла або лужна, то її нейтралізують.

• У випадку хлорованої води усувають „активний хлор” або відстоюючи воду протягом 2 год, або відновлюючи сполуки хлору дією Na₂SO₃, причому необхідну кількість відновника перед тим визначають йодометрично.

Повне БСК можна вважати як різницю ХСК на початку дії на пробу мікроорганізмів та в кінці дії (у присутності інгібіторів бактерій-нітрифікаторів). Визначають окремо ХСК води і окремо ХСК твердої фази або добре перемішаної твердої фази (зависів) з водою.

Для визначення БСК проби води поміщають у 6 скляних колб, закритих притертими корками так, щоб під корком не залишалось повітря. У 6 таких самих колб вводять дистильовану воду. Спеціальні колби з ковпачками, у які залита вода для захисту від контакту з повітрям, показані на рис.9.3.

У першій порції води відразу визначають вміст розчиненого кисню (хлорованої води – через 2 год), також визначають вміст кисню у першій порції дистильованої води.

Усі проби витримують при 20С без доступу повітря.

Наступні проби аналізують через 2, 3, 5, 10, 20 діб, одночасно визначаючи у ній вміст нітриту. Якщо через певний відрізок часу з’явився нітрит у концентрації 0,1 мг/л, то припиняють витримування проб води, тобто процедуру визначення БСК.

Рис.9.3. Колба для інкубації проби води, застосовувана при визначенні біохімічного споживання кисню

Обчислюють БСК проб нерозведеної води:

Якщо пробу води брали невелику (V мл) і розбавляли, то обчислення ведуть за формулою:

.

Показники, визначені з величин ХСК та БСК

За величиною БСК та ХСК рідкої та окремо відділеної твердої фази визначають низку важливих показників:

частка органічних речовин, які не окиснюються, ;

частка, яка припадає на утворену при споживанні кисню біомасу,

;

частка біохімічно окиснюваних речовин, ;

кількість речовин, які не окиснюються біохімічно на момент часу t,

.

Визначення хлороємності води

Хлороємність води визначають для встановлення кількості „активного хлору”, необхідного для дезінфекції води. Сполуки хлору у вищих ступенях окиснення окиснюють органічні речовини, серед яких мікроорганізми та неорганічні відновники. Якщо у воду потрапили ціаніди, то їх можна окиснити лише, якщо рН>10:

Cl₂+CN^-+2OH^-= 2Cl^-+OCN^-+H₂O.

При меншому значенні рН утворюється ClCN, який веде себе як активний хлор і спотворює результати визначення:

Cl₂+2CN^-= 2ClCN, ClCN+Red = Cl^-+CN^-+Ox.

Знезараження води хлоровмісними окисниками описано в розділі 6.3.

Визначення хлороємності проводять у відфільтрованій, відстояній воді або у воді з осадом йодометричним методом у двох серіях проб води. Однакові проби води відбирають у ряд посудин, у кожну з яких додають відому і щоразу більшу кількість хлорної води або хлорного вапна (умовно Cl₂). Після відстоювання залишок Cl₂ відтитровують йодометрично.

У першій серії після додавання хлору проби відстоюють 5 хв і визначають речовини, які швидко окиснюються, а в другій серії відстоюють 1-2 год, що відповідає режиму хлорування води. Після відстоювання до проб води додають розчин KJ і титрують виділений J₂ тіосульфатом з індикатором крохмалем.

У склянці відбувається процес: Cl₂+Red = 2Cl^-+Ox,

надлишок Cl₂+2J^-= J₂+2Cl^-.

Титрування: J₂ + 2S₂O₃^2- 2J^- + S₄O₆^2-.

За результатами титрування будують для кожної серії залежність вмісту Cl₂, який залишився, від вмісту доданого Cl₂ (рис.9.4).

Якщо у воді є амоній та аміни, то на них затрачається зайва кількість хлору і виділяється зайва кількість йоду:

Cl₂+RNH₂ = RNHCl+HCl і RNHCl+2HJ = RNH₂+J₂+HCl.

Тому початкова ділянка (0В) набирає іншого вигляду (рис.9.5).

Для визначення повної хлороємності з точки В на графіку проводять перпендикуляр на вісь абсцис (точка R) і пряму під кутом 45 до перетину з віссю абсцис. Відрізок 0R відповідає повній затраті сполук хлору. Відрізок 0Q відповідає затраті хлору на окиснення всіх відновників, окиснення води – це повне хлорування води. Відрізок 0P відповідає затраті хлору на окиснення лише органічних речовин – істинна хлороємність води.

Рис.9.4. Крива для визначення хлороємності води: 0А – речовини, які швидко окиснює Cl2; АВ – речовини, які повільно окиснюються; ВС – окиснення припинилось; PВ – екстраполяція відрізка ВС (припинення окиснення); PQ–окиснення води хлором (Cl2+H2O=HCl+HClO, 2HClO=2HCl + O2); BP – екстраполяція реального ходу вітки ВC

Утворені хлораміни при подальшому додаванні хлору руйнуються:

2NH₃ + 3Cl₂ = N₂ + 6HCl,

2CH₃–NH₂ + 3Cl₂ = N₂ + 4HCl + 2CH₃–Cl,

крива проходить через максимум і дальший хід графічної залежності відповідає ділянці ВС, як на рис. 9.4.

Рис.9.5. Крива визначення хлороємності води за умови присутності амонію та амінів

Питні води хлорують до появи хлорамінів (точка М), а стічних – до розкладу хлорамінів, використовуючи екстраполяцію прямолінійної ділянки ВС, як і у випадку кривої визначення хлороємності без амінів.

Визначення соленості води

Загальна соленість води зумовлена вмістом усіх розчинених солей (всіма аніонами: НСО₃^-, СО₃^2-, ОН^-, SO₄^2-, Cl^-, ...), які є у воді.

Некарбонатна соленість обумовлена аніонами, за виключенням тих, які підлужнюють воду, тобто, крім НСО₃^-, СО₃^2-, ОН^-.

Визначення некарбонатної соленості води. Через катіоніт у Н⁺-формі пропускають воду (200,0 мл) і відбувається обмін:

R-H⁺ + Сa²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ nH⁺ + R-Сa²⁺,Mg²⁺,Na⁺,K⁺_.

Однак перші порції витисненої проби (~80 мл) відкидають, оскільки вони містять продукти нейтралізації лугів та карбонатів:

НСО₃^-, СО₃^2-, ОН^- + Н⁺  Н₂О+СО₂.

Наступні порції води, витисненої з колонки, збирають у мірну колбу на 100,0 мл. Кількість іонів металів еквівалентна до кількості витисненої кислоти.

Через одержану пробу води пропускають повітря для видалення з

неї СО₂. Тоді 100,0 мл проби, яка містить витиснену кислоту, титрують 0,100 М розчином NaOH за метилоранжем. Обчислюють некарбонатну соленість води:

.

Загальна соленість води це сума некарбонатної соленості та загальної лужності, тобто вміст усіх аніонів.

Визначення твердості води

Загальну твердість води (загальний вміст солей кальцію і магнію) визначають комплексонометричним титруванням у слаболужному середовищі з індикатором хромогеном чорним, причому наявні у воді мікроелементи, через їхній малий вміст та зв’язування у комплекси, не заважають визначенню.

Якщо в стічній воді підвищений вміст важких металів, то їх маскують зв’язуванням у ціанідні комплекси або осаджують дією Na₂S у вигляді важкорозчинних сульфідів, Mn²⁺ зв’язують дією NH₂OH.

Перед титруванням забрудненої води з зависями, яка містить багато органічних речовин, природних гумусових сполук, її фільтрують. Фільтрат випаровують та прожарюють при 600С, а одержаний залишок розчиняють в кислоті, після чого титрують розчином ЕДТА.

Загальну твердість води (Т_заг.(H₂O)) виражають сумарною кількістю солей кальцію і магнію, ммоль/л:

Т_заг.(H₂O)= ммоль/л.

Карбонатна твердість води зумовлена вмістом у ній розчинних гідрогенкарбонатів кальцію та магнію. У процесі кип’ятіння гідрогенкарбонати перетворюються в карбонати і випадають в осад:

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃¯+CO₂­+H₂O,

2Mg(HCO₃)₂ (MgОН)₂CO₃¯+3CO₂­+H₂O.

Карбонатна твердість води – це, по-суті, її загальна лужність.

Вміст гідрогенкарбонатів кальцію та магнію визначають, титруючи пробу води стандартизованим розчином хлоридної кислоти за метилоранжем:

Ca(HCO₃)₂+2HCl CaCl₂+H₂O+2CO₂,

Mg(HCO₃)₂+2HCl MgCl₂+H₂O+2CO₂,

або HCO₃^- + H₃O⁺ H₂CO₃ + H₂O.

Обчислюють карбонатну (тимчасову) твердість води:

, ммоль/л.

Постійна твердість води зумовлена розчинними сульфатами та хлоридами кальцію та магнію. Її вираховують як різницю між загальною та тимчасовою твердістю води.

Визначення нітритів

Надмір нітритів у воді свідчить про перебіг процесу нітрифікації, а наявність їх в концентрації, що перевищує 0,1 мг/л, свідчить про інтенсивний процес нітрифікації.

Визначення проводять якомога швидше після відбору проби, оскільки нітрити можуть як окиснитися у нітрати, так і відновитися за участю відповідно аеробних та анаеробних мікроорганізмів. При необхідності воду консервують додаванням розчину сульфатної кислоти. До води з зависями та забарвленої води додають суспензію Al(OH)₃, яка сприяє коагуляції домішок.

Нітрити визначають фотометрично з сульфаніловою кислотою та -нафтіламіном (реактив Гріса) при рН=2 у вигляді пурпурного азобарвника ( =4010³) у межах концентрацій 1-0,01 мг/л:

Заважають реакції сильні окисники, відновники, аліфатичні аміни.

Визначення загального вмісту амінів, амідів, пептидів. Визначають сумарний вміст амінів, імінів, амінокислот, речовин з пептидними зв’язками, що містять до 10 аміногруп. Це продукти розкладу білкових речовин, присутність яких у воді вказує на забруднення нерозкладеними біологічними речовинами. Визначення проводять фотометрично з нінгідрином у вигляді фіолетової сполуки.

Нінгідрин взаємодіє також з аміаком та амонієм. Тому попередньо визначають NH₃ i NH₄⁺ за методом К’єльдаля. Заважають визначенню іони Cu²⁺, Cd²⁺, Fe³⁺, які є інгібіторами реакції. Їх маскують зв’язуванням у ціанідні комплекси.

Визначення сполук сульфуру

У воді сполуки сульфуру є в різних формах. Сульфати належать до макроелементів. Низка органічних речовин містять сульфур. Якщо вода забруднена продуктами розкладу органічних речовин біологічного походження, то в ній, особливо у придонних шарах, з’являються сульфіди, меркаптани, сульфіти, тіосульфати. Крім того, деякі стоки містять велику кількість сполук сульфуру в нижчих ступенях окиснення. Саме такі речовини є забруднювачами води і їхній вміст треба контролювати.

Спочатку визначають вміст іонів SO₄^2- у воді. Визначення можна проводити різними методами.

• Гравіметрично осаджують барій сульфат, осад прожарюють при 800С:

Ba²⁺+SO₄^2-=BaSO₄.

Якщо у стічній воді є CrO₄^2-, то він заважає визначенню. Тому Cr(VI) відновлюють при кип’ятінні у розчині хлоридної кислоти і гліцерину або етилового спирту. Утворений Cr³⁺ зв’язують з ЕДТА. Воду, яка містить сульфіти та тіосульфати, підкислюють і кип’ятять до повного видалення SO₂.

• Комплексонометричне титрування. Спочатку осаджують BaSO₄. Осад розчиняють в лужному середовищі у ЕДТА при кип’ятінні:

BaSO₄+H₂Y^2-+2OH^- BaY^2-+2H₂O + SO₄^2-.

Надлишок ЕДТА відтитровують стандартним розчином солі магнію.

Обчислюють вміст сульфату:

, мг/л.

Визначення сульфуру органічних речовин. У порції води, такій же, як для визначення сульфату, в лужному середовищі окиснюють органічні речовини дією Br₂ у CCl₄ (при малому вмісті сполук сульфуру – без органічного розчинника). Утворюється сульфат:

CH₃–SH + 7Br₂ + 16OH^- 14Br^- + SO₄^2- + CO₂ + 10H₂O.

Розчин підкислюють HNO₃ та нагрівають для видалення залишку Br₂. Після цього суміш переносять у платиновий тигель та випаровують у присутності Na₂CO₃ i MgO. Сухий залишок розчиняють у HCl та визначають вміст SO₄^2-. За різницею визначеного загального вмісту сульфату, який включає і сульфат, утворений під час окиснення органічних речовин, та вмісту вільного сульфату, визначають вміст сульфату, утвореного з органічних речовин.

Визначення загального вмісту сульфідів (S^2-, HS^-, H₂S). Сульфіди містяться в стічних водах, у підземних водах або в забруднених біологічними залишками придонних водах.

• Йодометричним титруванням визначають великий вміст сульфідів (5-20 мг). Воду консервують додаванням розчину солі кадмію з утворенням важкорозчинного CdS. Одержаний осад розчиняють, додаючи стандартизований розчин йоду і підкислюючи хлоридною кислотою. Надлишок йоду відтитровують тіосульфатом:

CdS+ J₂ = Cd²⁺+ 2J^- + S,

титрування: J₂ + 2 S₂O₃^2- 2J^- + S₄O₆^2-.

• При малому вміст (у межах 0,005-1,0 мг/л) сульфід визначають фотометрично з метиленовою синню (диметил-п-фенілендиаміном) у сильнокислому середовищі. Це проба на загнивання води. На місці відбору воду консервують, вливаючи пробу води у розчин (CH₃COO)₂Zn. Реактив є в сильнокислому середовищі, що може спричинити виділення СО₂. Тому розчин реактива заливають зверху на пробу води, закривають та збовтують. Відбувається взаємодія, яка проходить через декілька стадій. Сумарний процес можна відобразити рівнянням:

Визначення чутливе, =3410³, заважають нітрити, тому їх руйнують сульфаміновою кислотою, яка входить у склад реактиву:

NH₂SO₂OH + HNO₂ = N₂ + H₂SO₄ + H₂O.

Визначення вмісту S^2-, SO₃^2-, S₂O₃^2- проводять у трьох однакових пробах води методами редоксиметричного титрування.

Сумарне визначення S^2-, SO₃^2-, S₂O₃² проводять у першій пробі. Для цього пробу води вливають у підкислений ацетатною кислотою розчин стандартизованого розчину йоду, залишок якого відтитровують стандартизованим тіосульфатом з індикатором крохмалем:

S^2- + J₂ = S +2J^-,

SO₃^2- + J₂ + H₂O = SO₄^2- +2J^- + 2H⁺,

2S₂O₃^2- + J₂ = S₄O₆^2- +2J^-,

титрування: J₂ + 2 S₂O₃² 2J^- + S₄O₆^2-.

Визначення S₂O₃^2-. У другу порцію води вводять 10% розчин (CH₃COO)₂Zn і осаджують ZnS, додають розчин формальдегіду і ацетатну кислоту і надлишок стандартизованого розчину йоду. За цих умов формальдегід зв’язує сульфіт, отже у взаємодію з йодом вступає лише S₂O₃^2-. Його вміст визначають аналогічно йодометричним титруванням.

Визначення S^2-. Додаванням розчину BaCl₂ осаджують сульфіт у формі BaSO₃. Створюють слабколужне середовище з рН 9,2 і титрують сульфіди стандартизованим розчином K₃[Fe(CN)₆], причому за цих умов не вступає у реакцію S₂O₃^2-. Індикатором служить розчин Fe²⁺ і диметилгліоксим. Відбувається реакція:

S^2- +2[Fe(CN)₆]^3- = S +2[Fe(CN)₆]^4-.

Визначенню заважають іони тіоціанату. За результатами титрування визначають вміст S^2-.

Визначення сполук хлору

Сполуки хлору переважно добре розчинні у воді. Хлорид належить до макроелементів. Якщо у прісній воді вміст хлоридів невисокий, то у соляних водах перевищує вміст інших макроелементів.

Сполуки хлору у вищих ступенях окиснення можуть знаходитись у деяких стічних водах і містяться у водах, які знезаражували хлоруванням. Ці сполуки також добре розчинні у воді.

Визначення хлоридів

• Велику кількість Cl^- (>15 мг/л) визначають титриметрично стандартизованим розчином AgNO₃ або Hg₂(NO₃)₂:

Ag⁺ + Cl^- = AgCl,

Hg₂²⁺ + 2Cl^- = Hg₂Cl₂.

Якщо вода містить багато органічних речовин і забарвлена, то її попередньо мінералізують: випарюють з Na₂CO₃ і прожарюють, потім залишок розчиняють у кислоті. Можна осадити хлорид дією солі аргентуму, осад відфільтрувати, а надлишок Ag⁺ у розчині визначити титруванням тіоціанатом з індикатором Fe³⁺:

титрування: Ag + SCN^- AgSCN,

реакція з індикатором: Fe³⁺+ nSCN^- Fe(SCN)_n^3-n.

• Малу кількість хлориду (<3-5 мг/л) визначають фотометрично з дифенілкарбазидом у вигляді фіолетової адсорбційної сполуки з осадом Hg₂Cl₂ при рН 8. Великий вміст органічних речовин заважає визначенню, тому їх попередньо руйнують.

Визначення загального вмісту сполук хлору (Cl^-, Cl₂, ClO^-, NH₂Cl, NHCl₂, ClO₂^-, ClO₃^-) проводять після відновлення цих сполук до хлориду. Всі сполуки-окисники хлору відновлюють сіллю Мора, що можна зобразити схемою:

Cl₂ (ClO^-, NH₂Cl, ClO₂^-, ClO₃^-) +2Fe²⁺  2Cl^- +2Fe³⁺ + H₂O.

Вміст хлориду визначають титриметрично за методом осадження. Від одержаного вмісту хлориду після відновлення віднімають вміст хлориду, виявленого уводі, і за різницею обчислюють вміст хлориду, утвореного з окиснених форм хлору.

Визначення “активного хлору” (Cl₂, ClO^-, NH₂Cl, NHCl₂) проводять або після відновлення цих сполук до хлориду, або йодометричним титруванням їх як окисників. „Активний хлор” (Cl₂, ClO^-, HClO, RNHCl) титрують йодометрично при рН 4,5, бо в більш кислому середовищі заважають інші окисники, зокрема ClO₃^-.

RNHCl+2HJ = RNH₂+J₂+HCl,

титрування: J₂+2S₂O₃^2- 2J^-+ S₄O₆^2-.

Визначення ClO^-, ClO₂^-, ClO₃^-. Йодометрично, відновлюючи сполуки хлору у вищих ступенях окиснення арсенітом, можна визначити окремо сполуки хлору у різних ступенях окиснення, такі як ClO^-, ClO₂^-, ClO₃^-. Проводять визначення в однакових пробах води.

Для визначення ClO^- до надлишку стандартизованого арсеніту у присутності гідрогенкарбонату додають пробу, що містить окисні сполуки хлору. Суміш відстоюють, додають розчин ацетатної кислоти до початку виділення СО₂, а тоді, у присутності крохмалу як індикатора, титрують надлишок арсеніту розчином йоду. Відбуваються реакції:

ClO^- + AsO₃^3- = Cl^- + AsO₄^3-,

титрування: AsO₃^3- + J₂ + H₂O = AsO₄^3-,+ 2J^- + 2H⁺.

Визначення ClO^- і ClO₂^- проводять аналогічно, але у розчині сильної кислоти (2M H₂SO₄), бо в цих умовах не заважає ClO₃^-. За різницею обох титрувань визначають вміст ClO₂^-.

Визначення ClO₃^- у стічних водах. Окисні сполуки хлору в присутності хлоридної кислоти окиснюють арсеніт, надлишок якого відтитровують броматом з індикатором метиловим оранжевим, який внаслідок окиснення бромом знебарвлюється. Відбуваються реакції:

3H₃AsO₃ + ClO₃^- = 3H₂AsO₄^- + Cl^- + 3H⁺,

а також H₃AsO₃ + ClO^- = H₂AsO₄^- + Cl^- + H⁺;

титрування: 3H₃AsO₃ + BrO₃^- 3H₂AsO₄^- + Br^- + 3H⁺,

BrO₃^- + 5Br^- + 6H⁺ = 3Br₂ + 3H₂O.

За результатами цього титриметричного визначення та попереднього визначення вмісту у воді ClO^- і ClO₂^- обчислюють за різницею вміст ClO₃^-.

Визначення загального вмісту важких металів

Визначати загальний вміст важких металів можна лише після того, як зруйновано сполуки, у які вони можуть бути зв’язані (комплекси з неорганічними та органічними лігандами, фульвокислотами, гідроксиди та гідроксокомплекси). Для цього у пробі води кислотами обзолюють органічні речовини, а отриманий залишок розчиняють в розведеній кислоті. В одержаному розчині солей іони Fe³⁺, Al³⁺, Mg²⁺ зв’язують тартратом або цитратом, іони Mn²⁺ – гідроксиламіном.

Визначення проводять екстракційно-фотометрично. У підготовленій пробі води створюють рН 8-8,5 і додають розчин дитизону в CCl₄. Катіони важких металів переходять в органічний шар у вигляді дитизонатів:

Me²⁺+ + 2OH^- + 2H₂O.

З органічного розчину іони металів реекстрагують 0,01% водним розчином Hg(NO₃)₂. При цьому іони Hg²⁺ заміщають катіони важких металів з утворенням оранжевого дитизонату меркурію, який визначають фотометрично, а інші катіони переходять у водний розчин:

+ Hg²⁺ + Me²⁺.

За результатами фотометрування комплексу дитизонату меркурію в органічному розчиннику визначають кількість меркурію, яка є еквівалентною до загальної кількості катіонів важких металів.