ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Лабораторная работа № 3.

ВОДОПОДГОТОВКА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЗВЕЩЕННЫХ И РАСТВОРЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ. ОВСЕТЛЕНИЕ ВОДЫ.

Цель работы: определить качество сточной либо природной воды по общему содержанию в них примесей (взвешенных и растворенных). Определить количество коагулянта, необходимого для осветления воды. Определить степень осветления воды.

Общие сведения.

Вода широко используется в быту и промышленности. Она является химическим сырьем в производствах водорода, серной и азотной кислот, реакциях гидратации и гидролиза, растворителем для большого числа твердых, жидких и газообразных веществ, используется как теплоноситель и хладагент.

Поскольку вода является хорошим растворителем, то природные воды обычно содержат разнообразные примеси. К воде, применяемой для технологических целей и теплотехнических целей, предъявляют жесткие требования в отношении содержания в ней растворенных веществ, механических примесей, микроорганизмов и т.п.

В зависимости от целевого назначения воды ее физические, химические и бактериологические показатели должны отвечать определенным требованиям: хозяйственно- питьевая вода и применяемая в пищевой промышленности должна быть безвредна для организма, и иметь соответствующие показатели по запаху, вкусу, цвету, прозрачности, жесткости, содержанию свинца, мышьяка, железа и т.п.

В воде для охлаждающего оборудования лимитируется содержание солей (кальций, магний), железа, взвешенных суспендированных частиц, не должно быть сероводорода.

Вода для паросилового хозяйства (котельные, отопительные системы, электростанции) характеризуется минимальным содержанием солей, а также щелочей, масел, нефти, кремниевой кислоты.

Для технических целей требования к воде определяются спецификой технологического процесса.

Использованию воды в производстве предшествует соответствующая подготовка, зависящая от наличия в ней примесей и требований производства. Применяемая в производственных процессах вода не должна содержать вредных для реакции веществ, коррозировать оборудование и образовывать в аппаратах и трубопроводах накипь и шлам.

Все вещества, содержащиеся в воде, разделяются на растворенные и взвешенные, минеральные и органические. Растворенные вещества отделяют от взвешенных фильтрованием или центрифугированием.

Растворенные вещества. Количество растворенных солей в мг, содержащихся в 1 дм³, характеризует такой показатель, как сухой остаток. Сухой остаток показывает содержание минеральных и частично органических примесей, не летучих с водяным паром и не разлагающихся при температуре 105 С. Масса органических веществ в сухом остатке обычно не превышает 10-15 %, поэтому сухой остаток дает представление о степени минерализации (солесодержании) воды.

Минеральный состав воды на 85 % и более обусловлен содержанием катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ и анионов HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-. Остальное приходится на другие макро- (К⁺, PO₄^3-) и микроэлементы (Fe²⁺, Fe³⁺, J^-, Cu²⁺ и др.). Суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ обычно выражается в мг/дм³ (при минерализации до 1000 мг/дм³) и ‰ – промилле, или тысячная доля – (при минерализации более 1000 мг/дм³).

Вода с минерализацией до 1000 мг/дм³ называется пресной, свыше 1000 мг/дм³ – минерализованной. Гигиеническое значение этого показателя заключается в том, что воды, содержащие избыточное количество минеральных солей, непригодны для питья, т.к. имеют соленый или горьковато-соленый вкус, а их употребление может привести к физиологическим отклонениям в организме: способствует перегреву в жаркую погоду, ведет к нарушению чувства утоления жажды, увеличению гидрофильности тканей, изменению секреции желудка и др. С другой стороны, слабо минерализованная вода с сухим остатком ниже 50-100 мг/дм³ неприятна на вкус, длительное ее употребление может привести к некоторым неприятным физиологическим сдвигам в организме. Такая вода, как правило, содержит мало фтора и других микроэлементов.

Воды в зависимости от содержания солей классифицируют:

Содержание солей, мг/дм3	обозначение
пресные воды
менее 20	ультрапресная
20 – 50	пресные
50 – 100	слабоминерализованная
100 – 300	удовлетворительно минерализованная
300 – 500	оптимальной минерализации
500 – 1000	повышенно минерализованная
соленые воды
1000 – 25 000	минерализованная
25 000 – 50 000	с морской соленостью
более 50 000	рассолы

Многие производства, сельское хозяйство, предприятия питьевого водоснабжения предъявляют определенные требования к качеству вод, в частности, к минерализации, так как воды, содержащие большое количество солей, отрицательно влияют на растительные и животные организмы, технологию производства и качество продукции, вызывают образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв.

В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды суммарная минерализация не должна превышать величины 1000 мг/дм³.

Взвешенными веществами называются крупные частицы минерального и органического происхождения, задерживающиеся бумажными фильтрами. Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, или, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Концентрация взвешенных частиц связана с сезонным факторами и режимом стока, зависит от пород, слагающих русло, а так же от антропогенных факторов, например, сельскохозяйственной деятельности и т.д.

При повышении содержания взвешенных частиц ухудшается прозрачность воды, проникновение в нее света, изменяется состав растворенных компонентов поверхностных вод, увеличивается адсорбция токсичных веществ, изменяется их распределение между толщей воды и донными отложениями, снижается активность фотосинтеза, ухудшается жаберное дыхание у гидробионтов. По мере того, как твердые частицы оседают на дно, уменьшается активность придонных флоры и фауны.

Взвешенные вещества попадают в воду в результате смыва твердых частиц внешнего покрова земли дождями или талыми водами, а также в результате размыва русла рек. Наименьшая мутность водоемов наблюдается зимой, когда они покрыты льдом, наибольшая – весной во время паводка, а так же весной и летом вследствие выпадения дождей и развития мельчайших плавающих живых организмов и водорослей. Повышение мутности может быть вызвано также выделением из воды некоторых карбонатных солей, окислением соединений железа (II) кислородом воздуха, сбросом неочищенных сточных вод и др.

Подземные воды содержат меньше взвешенных веществ, т.к. они освобождаются при прохождении через грунт.

Вода с наличием взвешенных частиц непригодна для хозяйственно-питьевых целей, ее нельзя использовать в теплоэнергетике, на предприятиях по производству пищевых продуктов, при производстве бумаги, тканей.

Содержание взвешенных веществ в воде – один из основных санитарных показателей загрязненности бытовых и промышленных сточных вод. Наличие взвешенных веществ – важный показатель оценки эффективности работы сооружений механической очистки воды.

В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водных объектах для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения содержание взвешенных веществ в результате пуска в них сточных вод не должно увеличиваться соответственно более чем на 0.25 мг/дм³ и 0.75 мг/дм³.

Определение содержания взвешенных веществ проводят при контроле процессов биологической и физико-химической обработки сточных вод и при оценке состояния природных водоемов.

Очистка от взвешенных примесей является обязательной стадией водоподготовки. От механических примесей вода освобождается отстаиванием или фильтрованием через слой песка или угля. Осветление воды или коагуляцию коллоидных примесей, производят добавкой коагулянтов или флокулянтов. Коагулирующее действие одного из распространенных коагулянтов Аl₂(SО₄)₃ основано на образовании гидроокиси алюминия при взаимодействии с бикарбонатами, находящимися в очищаемой воде:

Аl₂(SО₄)₃ + 3Са (НСО₃)₂ = 3СаSО₄ + 2Аl(ОН)₃ + 6СО₂

При отсутствии растворенных бикарбонатов в воде специально добавляют известь для смещения равновесия реакции гидролиза Аl₂(SО₄)₃ в сторону образования молекул Аl(ОН)₃, обладающих большим положительным зарядом, что способствует коагуляции частиц. При этом частицы коллоидных примесей укрупняются вследствие агрегации (слипания) гидроокиси алюминия и увлекаются хлопьями вместе с органическими примесями и бактериями в осадок. Осадок после отстаивания отфильтровывают.

Методы определения содержания растворенных и взвешенных примесей.

В основе определения общего содержания примесей лежит гравиметрический метод анализа.

Гравиметрический анализ – метод количественного анализа, основанный на точном измерении массы определяемого компонента пробы, выделенного либо в элементарном состоянии, либо в виде соединения определенного состава.

Определение общего содержания примесей в воде характеризуется следующими показателями:

– общее содержание примесей в пробе (сухой остаток);

– остаток при прокаливании;

– потери при прокаливании;

– содержание растворенных и взвешенных веществ в пробе.

Общее содержание примесей (сухой остаток) – сумма всех растворенных и взвешенных веществ, которые определяются при выпаривании пробы воды, высушиванием остатка при 105 С и взвешиванием.

Остаток после прокаливания – это вещества, которые остаются после прокаливания высушенных остатков при 600 С. Масса прокаленного остатка дает ориентировочное представление о минерализации пробы.

Потери при прокаливании характеризуют наличие в пробе веществ, которые улетучиваются при температуре, меньше 600 С. К этим веществам относятся органические и частично неорганические компоненты, кристаллизационная и гигроскопическая вода, диоксид углерода из карбонатов кальция и магния, хлороводород, образующийся при гидролизе хлорида магния, и оксиды азота, образующиеся при восстановлении нитратов.

Растворенные вещества определяют выпариванием, высушиванием при 105 С предварительно профильтрованной пробы и ее взвешиванием.

Взвешенные вещества – вещества, которые остаются на фильтре при фильтровании исследуемой пробы воды через бумажный фильтр.

При анализе питьевых вод определяют только общее содержание примесей, для поверхностных и сточных вод определяют все показатели.

В соответствии с «Перечнем методик выполнения измерений, допущенных к применению в деятельности лабораторий экологического контроля предприятий и организаций Республики Беларусь» эти показатели определяют по методикам № 2.2.13.1. «МВИ концентрации взвешенных веществ гравиметрическим методом», 2.2.50.2 «МВИ концентрации растворенных веществ (сухой остаток) гравиметрическим методом».

Практическая часть.

Оборудование: Электроплитка, баня водяная, сушильный шкаф.

Посуда и материалы

Мерные колбы вместимостью 50 см³ и 100 см³

Цилиндры мерные на 200 мл

Колбы конические либо стаканы на 250 мл

Бумага фильтровальная

Чашки фарфоровые

Воронки для фильтрования с бумажным фильтром

Реактивы

1. сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ 1 % раствор.

2. соляная кислота разбавленная

1. Определение общего содержания примесей (сухого остатка)

1. В предварительно взвешенную фарфоровую чашку отбирают 20 – 100 см³ анализируемой воды (объем пробы определяется предположительным количеством примесей в воде – их содержание должно быть от 10 до 250 мг) и досуха выпаривают на водяной бане. При выпаривании чашку наполняют водой не более, чем на ¾ объема.

2. После выпаривания всей воды внешнюю поверхность чашки (для удаления накипи) тщательно обтирают фильтровальной бумагой, смоченной разбавленной соляной кислотой, затем ополаскивают дистиллированной водой и сушат бумажным фильтром. Остаток высушивают до постоянной массы при 105 С в сушильном шкафу (около 1 часа), охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

3. Общее содержание примесей в пробе (сухой или плотный остаток) Х (мг/дм³) рассчитывают по формуле:

(1);

m₁ – масса пустой чашки, мг;

m₂ – масса чашки с высушенным остатком, мг ;

V – объем пробы для анализа, см³ (мл).