Теоретическое обоснование

Все природные воды содержат некоторое количество примесей в виде механических и коллоидных взвесей и растворенных веществ, природа и содержание которых зависят от происхождения воды.

Важнейшие примеси: 1) газообразные — кислород, азот, аммиак, оксид углерода (IV); 2) твердые — соли кальция, магния, натрия, железа в виде их сульфатов, хлоридов, карбонатов и бикарбонатов, суспензия глины; 3) органические соединения и микроорганизмы.

Некоторые из этих веществ отрицательно влияют на свойства воды и затрудняют использование ее в качестве хозяйственно-питьевой и для технических целей. В зависимости от назначения воды ее физические, химические и бактериологические показатели должны отвечать определенным требованиям.

Хозяйственно-питьевая и применяемая в пищевой промышленности вода должна быть безвредной для организма человека, а ее показатели должны отвечать определенным нормам по запаху, вкусу, цвету, прозрачности, жесткости, содержанию соединений свинца, мышьяка и железа.

В воде, предназначенной для охлаждающего оборудования, ограничивается содержание солей кальция, магния, железа и механических примесей, в том числе органических веществ, и не должны содержаться оксид углерода (IV) и сероводород.

Вода для паросилового хозяйства характеризуется минимальным содержанием кислорода, оксида углерода (IV) и солей; в ней должны отсутствовать механические примеси, щелочи и нефтепродукты.

К воде, используемой для технологических целей, т.е. в качестве реагента или растворителя, предъявляются специальные требования, обусловленные особенностями конкретного технологического процесса. В общем случае вода, применяемая в производственных процессах, не должна содержать вредных для реакции веществ, не должна корродировать аппаратуру и образовывать в аппаратах и трубопроводах накипь и шлам.

Для определения состава и устранения вредных последствий ее воздействия вода, используемая в производстве, подвергается анализу и специальной подготовке.

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция и магния. Различают временную (бикарбонатную), постоянную (некарбонатную) и общую жесткость воды. Временная жесткость вызывается содержанием в воде растворимых бикарбонатов кальция и магния, образующих при кипячении осадок нерастворимых карбонатов.

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде хлоридов, нитратов и сульфатов кальция и магния, не выпадающих в осадок при кипячении. Общая жесткость представляет собой сумму временной и постоянной жесткости.

Количественно жесткость воды выражается суммой концентраций (в моль/л) ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре воды. При этом 1 ммоль/л жесткости соответствует 20, 04 мг/л Са2+ или 12, 16 мг/л Мg2+. По степени жесткости (по содержанию солей в моль/л ) вода классифицируется как: очень мягкая — 0—1,5; мягкая — 1,5—3,0; умеренно жесткая — 3,0—6,0; жесткая — 6,0—10,0; очень жесткая — более 10,0.

Жесткость воды определяется весовым, объемным и колориметрическим методами.

К операциям водоподготовки относятся: очистка от взвешенных механических и коллоидных примесей, умягчение, обессоливание, нейтрализация, дегазация и умягчение, т.е. частичное или полное удаление солей кальция и магния с целью снижения жесткости воды. Обычно жесткость снижают до некоторого допустимого значения ее ЖП (предельно допустимая жесткость), которое выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к умягченной воде.

Методы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические. Физические методы — это кипячение, дистилляция, электромагнитная обработка. Химические методы заключаются в обработке воды различными реагентами, под действием которых растворимые соли кальция, магния и железа переходят в труднорастворимые соединения, удаляемые в виде осадка. К химическим методам относятся известковый (обработка смесью карбоната натрия и гидроксида натрия), известковосодовый (обработка смесью карбоната натрия и гидроксида кальция) и фосфатный (обработка тринатрийфосфатом). К физико-химическим относится метод ионного обмена. Принцип метода Технический анализ водопроводной воды Карбонатную жесткость (ЖК) определяют титрованием пробы воды раствором соляной кислоты в присутствии метилового оранжевого:

Са(НСО₃)₂ + 2НСI = CaCI₂ + 2H₂O + 2CO₂ Mg(HCO₃)₂ + 2HCI = MgCI₂ + 2H₂O + 2CO₂.

В присутствии слабо диссоциированной угольной кислоты

НСО₃- + Н₂О+ = Н₂О + Н₂СО₃

желтая окраска индикатора не изменяется, но при избытке соляной кислоты переходит в оранжевую.

Общая жесткость определяется комплексометрическим методом путем титрования пробы воды раствором трилона Б (динатровая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) в присутствии индикаторов-хромогенов в слабощелочной аммиачной среде при рН = 9÷10. В качестве индикаторов применяют азокрасители — кислотный хром темно-синий или кислотный хром черный. Хромогены образуют с ионами кальция и магния комплексные соединения, окрашивающие раствор в красно-фиолетовый цвет. При титровании трилоном Б последний образует с ионами кальция и магния слабо диссоциированные комплексные соединения. При этом первоначальные комплексные соединения с хромогеном разрушаются и раствор приобретает сине-фиолетовую окраску, свойственную красителю, что указывает на конец титрования. Некарбонатную жесткость рассчитывают как разность между общей жесткостью и карбонатной жесткостью:

ЖН = ЖО — ЖК.

Содержание оксида углерода (IV) определяют титрованием пробы воды раствором гидроксида натрия до бикарбокатиона:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃Н₂СО₃ + ОН- = НСО₃ -+Н₂О.

Образовавшийся раствор бикарбоната натрия имеет рН = 8,3 и в присутствии фенолфталеина окрашивается в бледно-розовый цвет. Полученную окраску раствора сравнивают с окраской эталонного раствора с тем же значением рН. Если в воде не содержится оксид углерода (IV), то проба воды при добавлении фенолфталеина приобретает еще до начала титрования окраску эталонного раствора или еще более интенсивную. Свободный, или остаточный, хлор содержится в водопроводной воде, хлорированной в ходе водоподготовки. Определение содержания свободного хлора в воде основано на титровании йода, выделившегося в эквивалентном количестве при воздействии хлора на иодид калия

2КI + CI₂ = 2KCI + I₂

тиосульфатом натрия

I₂ + 2Na₂S₂O₃ = Na₂S₄O₆ + 2NaI.

Окисляемость воды зависит от присутствия в ней различных органических веществ и микроорганизмов, которые подвергаются окислению при действии на воду окислителей — перманганатов, хроматов, озона и других.

Окисляемость воды определяют титрованием пробы ее перманганатом калия в кислой среде: органические вещества + KMnO₄ + H₂SO₄ = продукты окисления + MnSO₄ + K₂SO₄. Так как окисляемые примеси имеют неопределенный состав, окисляемость воды выражают в количестве перманганата калия или эквивалентном ему количестве кислорода, затраченного на окисление органических веществ, содержащихся в воде. Сухой остаток — то, что остается после испарения досуха и высушивания при температуре 105 ºС пробы фильтрованной воды. В состав сухого остатка входят минеральные соли и органические вещества. Подготовка воды (водоподготовка) При известковом методе умягчения воду обрабатывают смесью карбоната натрия и гидроксида натрия. При этом растворимые бикарбонаты кальция и магния, обусловливающие временную (бикарбонатную) жесткость воды, реагируют с гидроксидом натрия, переходя в их нерастворимые карбонаты:

Са(НСО₃)₂ + 2NaOH = CaCO₃ + Na₂CO₃ + 2 H₂O Mg(HCO₃)₂ + 2NaOH = MgCO₃ + Na₂CO₃ + 2H₂O.

Сульфаты и хлориды кальция и магния, являющиеся причиной постоянной жесткости, реагируют с карбонатом натрия и также образуют карбонаты:

CaSO₄ + Na₂CО₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄ CaCI₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaCI.

Для снижения временной жесткости умягченную воду предварительно нагревают. При этом бикарбонаты частично переходят в карбонаты:

Сa(HCO₃)₂ = CaCO₃ +CO₂ +H₂O

Выпавшие в осадок труднорастворимые карбонаты кальция и магния отделяют отстаиванием и фильтрованием. При ионообменном методе умягчения воду пропускают через слой ионита — твердого, нерастворимого минерального или органического вещества, способного обмениваться ионами с раствором. Для умягчения воды применяют катиониты, т.е. вещества, способные обменивать на ионы раствора катионы Н+, Na+, NH4+. К катионитам относятся сульфоуголь, синтетические и природные алюмосиликаты (пермутит, цеолиты, глауконит) и высокомолекулярные соединения, содержащие кислотные группы SO₃H, COOH и OH,

в которых атомы водорода способны замещаться на атомы металлов. Обычно для умягчения воды применяют Na-катиониты. При пропускании воды, содержащей соли кальция и магния через Naкатионит в системе «ионит—раствор» протекают реакции:

2 Кат.Na + Ca(HCO3)2 = Кат.2Са + 2NaHCO3, (1) 2 Кат.Na + CaSO4 = Кат.2 Са + Na2SO4, (2)

или в ионной форме:

2Кат.-Na+ + Ca2+ = Кат.-2Са2+ + 2Na+.

(Аналогично и с соединениями магния). Здесь и далее «Кат.» — фрагмент молекулы катионита, соединенный с ионами натрия. В результате протекания реакций (1), (2) извлекаются ионы кальция и магния, обусловливающие жесткость воды. Технологической характеристикой катионитов является емкость поглощения, или обменная емкость (ЕК). Она выражается в грамм-эквивалентах (в системе СИ — в молях) на м3 катионита и представляет число молей ионов, поглощаемых катионитом до момента проскока, т.е. до появления в воде, прошедшей через катионит ионов кальция и магния.

Аппаратура и материалы: Колбы конические на 100; 250 и 500 мл, пипетки на 2; 3; 5 и 100 мл, стаканы стеклянные на 20; 250 и 500 мл, цилиндры мерные на 20 и 500 мл, склянка емкостью 2—3 л, бюретки на 50 мл, воронки чашка фарфоровая, запаянные капилляры, фильтры бумажные, эксикатор обратный воздушный холодильник, катионообменник. Реактивы: перманганат калия (раствор 0,002 моль/л), серная кислота (25 %-я), щавелевая кислота (раствор 0,005 моль/л), соляная кислота (0,1 моль/л), трилон б (раствор 0,05 моль/л), индикатор кислотный — хром темно-синий сульфат магния (фиксанал), аммиак (20 %-й раствор), хлорид аммония (20 %-й раствор), гидроксид натрия (раствор 0,01 моль/л), фенолфталеин (1 %-й и 0,01 %-й растворы), гидроксид натрия сегнетова соль, иодид калия (10 %-й раствор), крахмал (раствор) тиосульфат натрия (раствор 0,01 моль/л), метиленовый оранжевый (раствор) этанол карбонат натрия, хлорид натрия (97 %-й раствор), нитрат серебра (раствор) na-катионит (сульфоуголь).

Указания по технике безопасности

При работе с реагентами необходимо применять индивидуальные средства защиты. Следует учитывать, что многие соединения, входящие в состав используемых реагентов, являются ядовитыми и вредными для здоровья, поэтому работу с ними следует проводить в вытяжном шкафу.

Запрещается: - глубоко вдыхать пары реагентов при работе с ними и определении их запаха; - пробовать реактивы на вкус, принимать пищу в лаборатории; - выливать в раковину органические вещества, а также сильно пахнущие неорганические соединения. Для слива указанных соединений в вытяжном шкафу есть специальные емкости.

Методика и порядок выполнения работы

Выполнение работы состоит из следующих операций:

Технический анализ водопроводной воды:

1. Отбор воды для анализа.

2. Определение карбонатной жесткости воды.

3. Определение общей жесткости воды.

4. Расчет постоянной жесткости воды.

5. Определение содержания оксида углерода (IV) в воде.

6. Определение содержания свободного хлора в воде.

7. Определение окисляемости воды.

8. Определение сухого остатка воды. Подготовка воды (водоподготовка):

9. Умягчение воды известковым способом

10. Умягчение воды ионообменным способом.

11. Расчеты и оформление результатов

Перечисленные операции выполняются следующим образом: 1. Отбор воды для анализа На водопроводный кран надеть резиновую трубку, открыть кран и спускать воду в раковину в течение нескольких минут. Затем конец трубки опустить на дно склянки для отбора проб и наполнять склянку водой так, чтобы она некоторое время переливалась через ее край. По наполнении склянки вынуть из нее трубку и закрыть склянку пришлифованной пробкой. 2. Определение карбонатной жесткости воды В две конические колбы отобрать пипеткой по 100 мл воды из склянки для отбора проб. Добавить по 5 капель раствора метиленового оранжевого. Содержание одной из колб титровать соляной кислотой до перехода окраски из желтой в оранжевую. Изменение окраски наблюдают, сравнивая ее с окраской содержимого второй колбы. 3. Определение общей жесткости воды Выполнение анализа включает: приготовление титрованного раствора трилона Б, приготовление буферного аммиачного раствора, приготовление раствора индикатора, титрование пробы воды. Для получения титрованного раствора трилона Б с концентрацией 0,05 моль/л навеску вещества 18,61 г (молекулярная масса трилона Б равна 372,25) растворяют в 1000 мл дистиллированной воды и фильтруют. Точный титр раствора устанавливают по фиксаналу сульфата магния MgSO₄ 7H₂O.

Для приготовления буферного аммиачного раствора смешивают 100 мл раствора аммиака с 100 мл раствора хлорида аммония и разбавляют дистиллированной водой до объема 1000 мл. Для приготовления раствора индикатора 0,5 г кислотного хрома темносинего растворяют в 20 мл приготовленного аммиачного буферного раствора и разбавляют до 100 мл этанолом. Для титрования пробы воды в коническую колбу вносят из склянки для отбора проб 100 мл воды и добавляют 5 мл буферного раствора и 8 капель раствора индикатора. Содержимое колбы титруют раствором трилона Б, прибавляя его по каплям и встряхивая колбу после каждой капли до перехода красно-фиолетовой окраски в серовато-синию. 4. Расчет постоянной жесткости воды Постоянную жесткость воды рассчитывают по полученным значениям карбонатной и общей жесткости, как это указано выше. 5. Определение содержания оксида углерода (IV) в воде Выполнение анализа требует приготовления буферного раствора и титрования пробы. Для приготовления буферного раствора 1 г гидроксида натрия и 50 г сегнетовой соли (двойная соль натрия и калия винной кислоты KOOC-(CH₂)2COONa · 4H₂O) растворяют в 100 мл дистиллированной воды и фильтруют. Для титрования пробы воды в две конические колбы с помощью мерного цилиндра быстро наливают по 200 мл воды из склянки для отбора проб. В первую колбу добавляют 0,2 мл 1 %-го раствора фенолфталеина. Во второй колбе готовят эталонный раствор. Для этого к воде добавляют 2,5 мл буферного раствора и 0,2 мл 0,01 %-го раствора фенолфталеина. Колбы закрывают пробками и встряхивают. Содержимое первой колбы титруют раствором гидроксида натрия до появления не исчезающей в течение 5 мин розовой окраски, совпадающей с окраской эталонного раствора во второй колбе. 6. Определение содержания свободного хлора в воде В коническую колбу отбирают пипеткой из склянки для отбора проб 20 мл воды, добавляют с помощью мерного цилиндра 10 мл раствора иодида калия и с помощью пипетки — 3 мл раствора крахмала. Содержимое колбы титруют раствором тиосульфата натрия до исчезновения синей окраски раствора. 7. Определение окисляемости воды В коническую колбу помещают запаянные с одного конца капилляры, отбирают в нее пипеткой из склянки для отбора проб 100 мл воды, добавляют с помощью мерного цилиндра 5 мл серной кислоты и из бюретки 20 мл раствора перманганата калия. Содержимое колбы нагревают на сетке до кипения и слабо кипятят точно в течение 10 мин, после чего немедленно добавляют из бюретки 20 мл раствора щавелевой кислоты и титруют тем же раствором перманганата калия до появления слабо-розовой окраски, не исчезающей в течение 1 мин. 8. Определение сухого остатка воды Фарфоровую чашку прокаливают в пламени горелки и взвешивают на аналитических весах. В чашку отмеряют пипеткой из склянки для отбора проб 100 мл предварительно профильтрованной воды. Чашку помещают на водяную баню и выпаривают воду досуха. Затем чашку с остатком сушат в сушильном шкафу при температуре 105 ºС до постоянного веса, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. 9. Умягчение воды известковым способом.

Для умягчения воды предварительно готовят раствор умягчителя. Для этого растворяют в 1 л дистиллированной воды 15 г гидроксида натрия и 21 г карбоната натрия и раствор фильтруют. В колбу отмеряют из склянки для отбора проб 200 мл воды и прибавляют пипеткой 2 мл раствора умягчителя. Колбу закрывают пробкой с вставленным в нее обратным воздушным холодильником и кипятят на сетке в течение 10 мин, не допуская выпаривания воды из холодильника. По окончании кипячения умягченную воду фильтруют через складчатый фильтр. Охлаждают до комнатной температуры и определяют общую жесткость по методике, приведенной выше. 10.

Умягчение воды ионообменным методом. Метод состоит из подготовки ионообменника к работе и собственно умягчения воды. Подготовка катионообменника к работе.

Перед работой катионит в ионообменнике регенерируют, насыщая его ионами натрия. Для этого заливают в него через воронку 600 мл раствора хлорида натрия со скоростью 20 мл в минуту. Скорость прохождения раствора через катионит регулируют краном. Затем для удаления избытка хлорида натрия регенерированный катионит промывают дистиллированной водой до полного исчезновения ионов хлора (проба с нитратом серебра). На это обычно расходуется 1000 мл воды. Через подготовленный катионообменник медленно пропускают 200 мл воды из склянки для отбора проб, регулируя скорость ее протекания краном. Умягченную воду собирают в коническую колбу и определяют в ней общую жесткость по методике, приведенной выше.

Содержание отчета и его форма

В отчете к лабораторной работе должно быть отражено:

• Название лабораторной работы

• Цель

• Аппаратура и материалы

• По полученным данным рассчитываются основные характеристики. Карбонатную жесткость, общая жесткость воды, содержание оксида углерода (IV). В таблицу сводят также результаты анализа воды до умягчения и определения общей жесткости ее известковым и ионообменным методами. На основании полученных данных делают вывод об эффективности метода и относят воду к соответствующей категории.

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры токсичных элементов, особенно опасных при загрязнении сточных вод.

2. Приведите примеры обобщенных показателей, по которым оценивается качество сточных вод.

3. Как определяется содержание серы в пробах воды?

4. Какими методами определяют микропримеси в водах?

5. Какими методами определяется содержание тяжелых металлов в пробах вод?

6. Перечислите основные операции подготовки технологической воды.

Защита работы

Защита работы заключается:

• в выполнении задания и оформлении отчета по лабораторной работе;

• в ответах на контрольные я дополнительные вопросы по лабораторной работе.

Список литературы

1. Бесков, В. С. Общая химическая технология : учебник для вузов / В. С. Бесков. –

Москва : ИКЦ "Академкнига", 2006. – 452 с.

2. Лабораторный практикум по общей химической технологии : учеб. Пособие / [В.А. Аверьянов] и др. ; под ред. В.С. Бескова. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 279 с.

3. http://www.chem.msu.ru – сайт библиотеки химического факультета Московского государственного университета.

4. http://lib.muctr.ru – сайт Информационно-библиотечного центра Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

5. http://library.spbu.ru – сайт научной библиотеки им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.