ЛР. ТООВ. часть 1

IIзона утворення хлорамінів. Максимум на кривій - точка А, відповідає зв'язуванню всіх амонійних сполук у хлораміни. Звичайно, співвідношення між дозою хлору і концентрацією амонію-іона (у моль/л) відображається співвідношенням Сl2: NH4 ≈ 4,4:1,

характерним саме для точки А. По висоті піка можна судити про концентрації у воді амонійних сполук.

IIIзона розкладання хлорамінів до небактерицидних сполук хлору. Мінімум на кривій - точка Б, відповідає повному руйнуванню хлорамінів. Співвідношення дози хлору і концентрації амонію-іона (моль/л) для точки Б звичайно складає Сl2: NH4 ≈ 7,6:1. Точку Б називають точкою перелому кривої.

IVзона вільного активного хлору. У цій зоні залежність між дозою хлору і залишковим хлором звичайно являє собою пряму, кут нахилу якої близький 45°.

Якщо він менший, то у воді можна припустити наявність сполук, що каталітично розкладають хлорноватисту кислоту; кут також менший 45°, якщо вода перебуває на світлі.

Якщо пряму ділянку в зоні IV продовжити вниз до перетинання з віссю абсцис, то на ній відтинається відрізок, що приймається за величину хлоропоглинання води. Можна вважати, що хлоропоглинання відповідає кількості хлору, витраченого на окислювання забруднень води. Чим більше хлоропоглинання, тим більше забруднена вода органічними й легкоокиснюваними неорганічними речовинами. У певному ступені хлоропоглинання води повинне відповідати перманганатній окислюваності або ХСК води. .

Відповідно до норм для надійного знезаражування у воді необхідно забезпечити концентрацію залишкового активного хлору 0,3-0,5 мг/л для вільного активного хлору через

30 хв. контакту, або 0,8-1 мг/л для зв'язаного активного хлору через 1 годину контакту.

Провівши горизонтальну лінію, що відповідає вмісту залишкового активного хлору, можна знайти необхідні дози хлору, з яких і варто вибрати розрахункову дозу. Якщо точка А не піднімається вище 0.8 мг/л. то хлорувати воду потрібно дозами за точкою перелому.

Таким чином, експериментальна крива хлоропоглинання води дозволяє одержати інформацію про забруднення води та необхідні дози хлору.

Послідовність виконання роботи

1.Наливаємо в 8 колб по 100 мл води, що досліджується.

2.В першу колбу добавляємо 0,5 мл, в другу - 1,0 мл, в третю - 1,5 мл, в четверту - 2

мл, в п’яту - 2,5 мл, в шосту - 3 мл, в сьому - 7 мл, в восьму - 10 мл хлорної води, що відповідає дозі хлору 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 7,0; 10,0 мг/л.

3. Кожну пробу ретельно перемішуємо, закриваємо корками і ставимо в темне місце

(шафу).

31

4.	Через 30 хвилин визначаємо залишкову концентрацію активного хлору (при цьому
на проби не повинні падати прямі сонячні промені.
	Отримані результати заносимо в таблицю:
Доза хлору, мг/л		0,5	1,0	1,5	2,0		2,5		3	7	10
Об’єм титрувального розчину, мл
Кількість залишкового хлору, мг/л
5.	Будуємо графік в координатах “доза хлору - залишковий хлор” і								знаходимо точки
максимуму та перелому.
6.	Визначаємо хлоропоглинання та дозу хлору.
7.	Зробити висновок відносно ступеню забрудненості води.

Контрольні питання

1.Дати визначення: активний хлор, зв'язаний хлор, вільний хлор, хлоропоглинання.

2.Які реагенти застосовуються для хлорування води?

3.У чому сутність хімізму хлорування?

4.Як залежать бактерицидний ефект і хлоропоглинання води від домішок. рН і температури води?

5.Яка методика визначення необхідної дози хлору для хлорування води?

6.Як визначити активний хлор у воді?

7.Як аміак впливає на процес хлорування?

8.Механізм знезаражування води хлором.

Лабораторна робота №12

ЕЛЕКТРОЛІТИЧНЕ ОТРИМАННЯ ГІПОХЛОРИТУ НАТРІЮ

Мета роботи - вивчити устрій та роботу апарату для електролітичного отримання гіпохлориту натрію, техніко-економічна оцінка параметрів його роботи.

Теоретичні основи роботи

Гіпохлорит натрію NaOCl використовується як реагент для знезаражування на водоочисних станціях малої продуктивності, а також у випадках труднощів із доставкою хлорних реагентів. Отримується він на місці шляхом електролізу розчину кухонної солі

NaCl.

Принципова схема електролізеру наведена на малюнку рис. 12.1.

32

Рис. 12.1. Схема установки для електролітичного отримання гіпохлориту натрію

1 -скляна посудина, 2 - випрямник току, 3 - графітові електроди, 4-регулятор напруги, 5 – амперметр, 6 - вольтметр

У водному розчині NaCl містяться іони Н+, ОН-, Na+, Сl-.

На катоді відбувається виділення молекул водню

2Н+ + 2ē → Н2↑.

Водень видаляється в атмосферу. На аноді виділяється хлор

2Сl- ـ 2 ē → С12↑.

Урозчині залишаються іони Na+, тобто розчин лугу NaOH. Хлор відразу розчиняється

уводі по реакції Cl2 H2O HOCl HCl.

При реакції NaOH HOCl NaOCl H2O утворюється гіпохлорит натрію.

За законом Фарадея на одержання 1 г-екв будь-якої речовини шляхом електролізу витрачається 26,8 Ампер-годин електрики. Тоді маса речовини, що виділилося, складе

m= I t / 26,8 г-екв.

Удійсності кількість отриманого хлору завжди менше теоретичного. Відношення фактично отриманої кількості речовини до теоретичної називається виходом по струму або коефіцієнтом використання струму. При електролітичному одержанні гіпохлориту натрію вихід по струму звичайно становить 50-60 %.

Різниця потенціалів на електродах складається з наступних величин

-потенціалу виділення хлору (+1,36 В).

-потенціалу виділення водню (-0,615 В).

-перенапруги, що залежить від матеріалу анода та катода (звичайна перенапруга становить 0,7...1,2 В).

-омічних опорів розчину та провідників.

Найчастіше напруга на електродах становить 4...4,5 В. Для зниження витрати електроенергії варто зменшувати об'єм електролізера, підвищувати концентрацію розчину

NaCl, зменшувати відстані між електродами.

33

Установлено, що оптимальна щільність струму і = 0,25...0,50 А/см, відстань між електродами 0,5...2 см, концентрація NaCl - 10 %, ступінь використання солі 11...13 %.

Послідовність виконання роботи

1. Вимірюємо площу електродів, що занурена в розчин, F, см2, та обчислюємо необхідну величину електричного струму I = i F , А, де i = 0,25 - 0,50 А/см2 - оптимальна щільність струму.

2.В склянку 1 наливаємо 1 л 10%-ного розчину NaCl.

3.Підключаємо електроди 3 до клем (+ - ) випрямника 2.

4.Підключаємо випрямник до електричної мережі.

5.Вмикаємо випрямник вмикачем 5 в положення ( = ); при цьому на електроди подається постійний струм.

6.Регулятором напруги 6 встановлюємо розраховану в п.1 величину електричного струму та починаємо відлік часу.

7.Через 0,3 години роботи електролизер вимикаємо (регулятор 6 в положення

“викл”).

8. Відбираємо пробу розчину об’ємом 20 мл та визначаємо в ній вміст активного

хлору.

Результати роботи вносимо до таблиці:

Показник	Одиниця	Позна-	Метод	Вели-
	виміру	чення	визначення	чина
Об’єм розчину солі	л	W	Мірна посудина
Концентрація розчину солі	%	Р
Тривалість процесу електролізу	год.	T	Секундомір
Сила струму	А	I	Амперметр
Напруга	В	U	Вольтметр
Концентрація активного хлору в розчині	г/л	Х	Додаток 7
Кількість хлору	г	m	= X W
Вихід по току	%	r	= 75,5 m / I t
Витрати солі на 1 кг хлору	кг	G	= 100 / m
Витрати електроенергії на 1 кг хлору	кВт-год/кг	Е	= I U t / m
Вартість 1 кВт-год	коп	С1
Вартість 1 кг солі	коп	С2
Вартість 1 кг хлору	коп	С	= С1 Е + С2 G
Ступінь використання солі	%	b	= m

Контрольні питання

1.Переваги та недоліки електролітичного одержання хлору.

2.Що таке вихід по струму?

34

3.Які процеси протікають на катоді? на аноді?

4.Від яких факторів залежить витрата електроенергії?

5.Із чого складається різниця потенціалів на електродах?

6.Як визначити необхідну величину струму для електролізу?

7.

Лабораторна робота № 13

ПОБУДОВА КРИВОЇ ТИТРУВАННЯ ВОДИ

Мета роботи - вивчити дослідну побудову кривої титрування води та можливості її використання при визначенні доз реагентів для обробки води.

	Теоретичні основи роботи
	Крива титрування відображає залежність між загальною лужністю води та величиною
рН	рН = f (Л).

Відомо, що загальна лужність води являє собою суму концентрацій всіх аніонів слабких кислот і гідроксильних іонів за винятком концентрації іонів водню.

ЛСаніонівслаб.кисл. ОН Н , мг-екв/л (г-екв/м3)

Уприродних водах найчастіше зустрічаються та мають найбільші концентрації аніони

вугільної кислоти НСО		і		СО2 , вони обумовлюють гідрокарбонатну і карбонатну
	3			3
лужність. У переважній більшості випадків без помітної помилки можна вважати, що
	Л НСО СО2 ОН ,				мг-екв/л (г-екв/м3).
			3	3
Значно меншу концентрацію в природних водах мають аніони HSiO ,SiO2 ,									Н	2	РО ,
							3	3			4
НРО2 ,	РО3 , які обумовлюють силікатну та фосфатну лужність води. Іноді у воді можуть
4	4
бути гідросульфітні іони HS-			, аніони борної кислоти Н			2	ВО . а також аніони гумінових
							3

кислот, концентрації яких також входять у загальну лужність.

При рН < 8,4 можна вважати, що Л НСО3 ; вміст ОН- у воді стає помітним при pН >

9. Іони, концентрація яких менше 0.01 мг-екв/л, при хімічному аналізі води не визначаються,

і їхній вміст не враховується.

Лужність стічних вод може бути обумовлена, крім перерахованих аніонів, також наявністю у воді аніонів органічних кислої і іонами, що попадають у стоки з виробничих процесів.

При високій концентрації у воді іонів водню лужність стає негативною, у цьому випадку вже іде мова про кислотність води. Концентрація іонів водню тоді більше суми концентрацій аніонів слабких кислот і гідроксильних іонів.

35

Крива титрування (рис. 13.1) будується звичайно за даними додавання в одну із проб висхідної води 0,1 N розчину НСl, а в іншу 0.1 N розчину NaOH і вимірювання при цьому величини рН води. Маючи криву титрування води, можна судити про необхідні дози реагентів (кислоти або луги) для досягнення заданого значення рН. Або по кривій можна визначити величину рН. що встановиться при додаванні певної дози кислого або лужного реагенту.

Кислотність

Л0, Лужність, мг-екв/м3

Рис. 13.1. Крива титрування води По нахилу кривої титрування можна робити висновок також про буферність води.

Буферність - це здатність частково нівелювати (згладжувати) дію сильних кислої, що попадають у воду, і лугів за рахунок їхньої нейтралізації іонами лужної води. За рахунок цього навіть при додаванні значних кількостей кислот або лугів величина рН води змінюється відносно мало та крива має малий нахил до осі абсцис. І тільки після повної нейтралізації буферності починається більш різка зміна рН. Оцінити буферність води можна за допомогою такого критерію як буферна ємність, що чисельно дорівнює кількості мг-екв кислоти або лугу, необхідній для зміни рН на одиницю.

Послідовність виконання роботи

1.Відбираємо в склянки №1 і №2 дві проби по 0,5 л води, що досліджується.

2.Відбираємо ще одну пробу досліджуваної води об’ємом 100 мл та визначаємо висхідні значення рНо та лужності Ло.

3.В пробу води в склянці №1 добавляємо 1 мл 0,1N розчину НСl, перемішуємо 15-20

с, потім вимірюєм рН.

4. Надалі додаємо по 2 мл 0,1N розчину НСl доти, доки сумарний об’єм доданого розчину не досягне 11 мл. Після кожного доливання 2 мл розчину розчину кислоти

36

вимірюємо рН. Об’єм доданої кислоти буде в цій пробі дорівнювати відповідно V = 1, 3, 5,

7, 9, 11 мл.

5.В пробу води в склянці №2 аналогічно добавляємо 0,1N розчин NaОН та вимірюємо рН після кожного додавання лугу.

6.При кожному додаванні кислоти (-) або лугу (+) обчислюємо лужність води за формулою

Л= Ло + 0,10 V / ( 0,5 + 0,001 V ), мг-екв/л.

Результати вимірювань та розрахунків заносимо до таблиці:

Показник					Значення показника
		при додаванні кислоти							при додаванні лугу
V ,мл	11	9	7	5	3	1	0	1	3	5	7	9	11
рН
Л, мг-екв/л

7. За даними таблиці будуємо криву титрування в координатах Л - рН та визначаємо буферну ємність води.

Контрольні питання

1.Що таке лужність води та у яких одиницях вона виражена? 2.Які іони визначають звичайно лужність природної води?

3.Викладіть методику визначення лужності при хімічному аналізі води. 4.Як виміряється рН води та у яких одиницях виражається?

5. Що таке буферність води та буферна ємність?

6. Що таке кислотність води?

7 Що таке крива титрування, зв'язок між якими параметрами води вона відбиває?

Лабораторна робота № 14

ВИМІРЮВАННЯ ЖОРСТКОСТІ ВОДИ ПРИ ДОДАВАННІ ВАПНА

Мета роботи - вивчити зміну жорсткості води при додаванні вапна та знайти оптимальну дозу цього реагента.

Теоретичні основи роботи

Жорсткість води - це сума концентрацій іонів кальцію та магнію в мг-екв/л. Додавання у воду вапняного молока Са(ОН)2 приводить до підвищення рН і зміни співвідношення між різними формами вугільної кислоти у воді в результаті протікання реакцій:

Са ОН 2 Са2 2ОН

37

ОН 3О2 НСО3

ОН НСО3 3О32 Н2О.

У свою чергу зміна співвідношення між формами вугільної кислоти веде до утворення малорозчинної у воді сполуки СаСО3. Крім того, при високих рН утвориться малорозчинний у воді гідроксид магнію

Са2 3О32 СаСО3

Mg2 2OH Mg OH 2

Ці сполуки осаджуються з води, у результаті чого її жорсткість знижується. Однак доза вапна повинна бути еквівалентна вмісту у воді СО2, НСО3 , і Mg2+. Якщо вона буде недостатня, то жорсткість знизиться незначно, якщо ж дати великий надлишок, то жорсткість навіть підвищиться. Реакції, що протікають, і зміни складу води можна ілюструвати на прикладі поетапного додавання вапна у воду.

Нехай склад висхідної води заданий діаграмою (графіком Роджерса). В такому складі загальна жорсткість Жз = 7 + 4 = 11 г-екв/м3; карбонатна жорсткість (чисельно рівна концентрації гідрокарбонатів) Жк = 2.5 г-екв/м3, некарбонатна жорсткість Жнк = 11 – 2,5 = 8,5 г-екв/м3.

Додамо вапна стільки, скільки у воді СО2

СО2 ОН НСО3

			7	4		3		+	2	=
		Са2			Mg2		Na K		Ca2
СО	2	НСО		SO2		Cl			OH
		3		4
2		2,5		6		5,5			2

Склад води після додавання виразиться новою діаграмою. Тепер Жз = 9; Жк = 4,5; Жнк

= 4,5 г-екв/м3. Жорсткість навіть збільшилася. Додамо вапна стільки, скільки у воді стало

HCO3 : HCO3 OH CO32 H2O.

=	9	4		3		+	4,5	=
	Ca2		Mg2		Na K		Ca2
	HCO	SO2		Cl			OH
	3	4
	4,5	6		5,5			4,5

Жорсткість води стала (г-екв/м ) Жз = 13,5; Жнк = 4,5. Але відразу ж жорсткість почне

зменшуватися внаслідок осадження малорозчинного СаСО3

Ca2 CO32 CaCO3

38

=	13,5	4,0			3,0		=
	Ca2		Mg2			Na K
	CO2	SO2			Cl
	3	4
	9	6			5,5

Жорсткість води стала (г-екв/м3) Ж, = 4,5; Жк = 0: Жнк = 4,5. Усунуто карбонатну жорсткість. При додаванні вапна у кількості магнію (4,0 г-екв/м3) на його місце в діаграмі стане кальцій і жорсткість не зміниться.

	4,5	4			3	4
=	Ca2		Mg2		Na K	+	Ca2
	SO42			Cl			OH
		6			5,5		4

Якщо далі додавати вапно, то жорсткість почне зростати на величину дози вапна.

Отже оптимальна доза вапна Дв = 2,0 + 4.5 + 4.0=10.5 г-екв/м3.

Однак фактична доза повинна бути на 0,3-0,6 г-екв/м3 більше для повноти протікання реакції.

Для видалення некарбонатної жорсткості потрібно додавати соду Зміну вмісту у воді кальцію, магнію та величини загальної жорсткості води можна

зобразити у вигляді графіка (рис. 14.1).

Жз

мг-

екв/л

Доза вапна мг-екв/л

Рис. 14.1. Залежність залишкової кальцієвої, магнієвої та загальної жорсткості від дози вапна

39

Точка А відповідає збільшенню жорсткості води внаслідок витрати вапна на зв'язування СО2. У точці В весь кальцій з води випав. На ділянці ВС іде зв'язування тієї частини HCO3 , що більше вмісту кальцію у висхідній воді. Тут HCO3 переходить у CO32 та осаджується разом з кальцієм, шо додають у вигляді вапна. У точці С починається осадження з води магнію, яке закінчується в точці Д. При збільшенні дози вапна за точку Д вміст магнію зменшується, але місце магнію в діаграмі займає кальцій, шо додається у вигляді вапна. Тому Ж3 не змінюється. При збільшенні дози вапна за точку Е у воді росте загальна жорсткість і вміст кальцію. Графік дозволяє експериментальним шляхом знайти оптимальну дозу вапна, що у цьому випадку дорівнює 7 мг-екв/м3.

Послідовність виконання роботи

1.Відбираємо 7 проб води, що досліджується, по 1 л в конічні колби або хімічні

склянки.

2.Відбираємо з першої колби 4 проби по 100 мл та визначаємо в них рН, жорсткість,

лужність і вміст кальцію.

3.Знаходимо вміст в пробах СО2 (по номограмі).

4.В колби №№ 2, 3, 4, 5, 6, 7 додаємо відповідно 20, 50, 100, 150, 200, 250 мл насиченого розчину вапна Са(ОН)2, що приблизно відповідає дозам вапна 21, 52, 100, 132,

183, 220 мг/л або 0,58; 1,44; 2,78; 3,67; 5,08; 6,10 мг-екв/л.

5.Кожну пробу перемішуємо скляною паличкою на протязі 5 хв, потім відбираємо та фільтруємо через паперовий фільтр проби води по 100 мл для хіманалізу.

6.Визначаємо в фільтрованих пробах рН, жорсткість, вмісти кальцію та магнію.

Результати аналізів вносимо до таблиці:

Номер проби	Доза вапна		рН	Вміст кальцію		Жо,	Магній,
	мг/л	мг-екв/л		мг/л	мг-екв/л	мг-екв/л	мг-екв/л

7. Будуємо графіки зміни загальної жорсткості і вмісту кальцію в воді, показуємо на них оптимальну дозу вапна.

Контрольні питання

1.Що таке жорсткість води: загальна, карбонатна та некарбонатна? 2.У вигляді яких сполук осаджуються з води іони жорсткої води? 3.Які реакції протікають у воді при додаванні вапна?

4.Чим обумовлена зміна хімічного складу води (графіка Роджерса) і які ці зміни при збільшенні дози вапна?

40