Все лаборатарные работы

1-бюретка;

2-водяная рубашка;

3-напорная склянка;

4-гребенка;

5-трехходовые краны на поглотительных сосудах; 6,7-поглотительные

сосуды; 8-фильтр; 9-трехходовой кран

для отбора газа

Рис. 5. 7. Схема газоанализатора ГХП-ЗМ

Порядок работы

1. Подготовка прибора к работе.

Перед началом работы необходимо удалить из прибора воздух. Для этого сначала устанавливают поглотительные растворы на уровне меток, наносимых на капиллярной трубке поглотительного сосуда. Для этого ставят трехходовой кран 9 в такое положение, чтобы газоанализатор сообщался с атмосферным воздухом. Поднимают уравнительную склянку и вытесняют газ в атмосферу, при этом затворную жидкость доводят приблизительно до половины бюретки. Затем трехходовой кран поворачивают таким образом, чтобы прибор был изолирован от атмосферы. Открывают кран 5 на поглотительном сосуде, уровень поглотителя в котором необходимо поднять, и очень медленно опускают напорную склянку. Следует обратить внимание на то, чтобы жидкость не попадала на гребенку.

Когда поглотительные растворы во всех баллонах 6 доведены до метки, проверяют прибор на герметичность. Для этого заполняют бюретку до верхней метки запорной жидкостью, прибор изолируют от окружающей среды и ставят уравнительную склянку на нижнюю полку прибора. Если уровень жидкости в поглотительных сосудах и в бюретке сначала несколько опускается, а затем остается постоянным, то прибор герметичен.

2.Взятие пробы на анализ

Кгазоанализатору через фильтр 8 присоединяют газовую пипетку с контрольной пробой газа для анализа. При этом напорную склянку устанавливают на верхнюю полку прибора. Кран 9 должен быть в таком положении, чтобы бюретка была соединена с газовой пипеткой и разобщена

сатмосферой. Открывая краны на газовой пипетке, медленно опускают напорную склянку газоанализатора - газ поступит в бюретку. Для удаления

145

воздуха из гребенки и отростков ее промывают газом: наполняют газом часть бюретки (20-25 мл) и затем впускают газ через кран 9 в атмосферу. Промывку повторяют 2-3 раза, затем отбирают пробу для анализа. В бюретку набирают газ немного больше 100 мл. Поднятием напорной склянки сжимают газ и доводят уровень запирающей жидкости в бюретке до деления 100 мл, быстрым поворотом крана 9 выпускают избыток газа в атмосферу. После взятия пробы газа на анализ прибор изолируют от источника газа.

3. Проведение анализа

Анализ газа начинают с определения содержания СО2. Газ переводят из бюретки в поглотительный сосуд 1 с раствором КОН. Для этого на сосуде открывают кран 5 и медленно поднимают уравнительную склянку. Не закрывая крана на сосуде 1, опускают уравнительную склянку, переводя частично газ снова в бюретку (следить, чтобы поглотительные растворы не попадали на гребенку). Так делают 3-4 раза, после чего доводят уровень жидкости в поглотительном сосуде до метки. Закрывают кран 5 и измеряют оставшийся объем. Для этого подносят уравнительную склянку к бюретке и устанавливают уровень жидкости на одной высоте. Замеренный объем записывают. Поглощение продолжают до постоянного объема (разница между двумя измерениями должна быть меньше 0,2 мл). Так же проводят поглощение кислорода и СО. После этого готовят прибор к анализу следующей пробы. Для этого сообщают кран 9 с атмосферой и вытесняют остаток газа из системы, доведя уровень жидкости в бюретке до верхней метки.

Результаты опыта заносят в таблицу по образцу, приведенному в табл.5.7.

Таблица 5.7 Запись результатов анализа (взято 100 мл газа)

	Кол-во газа	Расчет
	после погло-
Компо	щения, мл
нент
			мл		об.%
1	2	3			4
СО2	85,60	100 −83,20			16,80
	84,80
	83,20
		16,80
	83,20
O2	82,80				0,80
	82,60

146

		82,40		83,20 −82,40
		82,40
				0,80
CO		81,40				6,80
		76,80		82,40 −75,60
		75,60
				6,80
		75,60
N2		75,60		75,60		75,60
	ИТОГО			100,00		100,00

4. Расчеты

Содержание компонентов газовой смеси вычисляют в % об. по формуле

ma = VVa , (5.26)

общ

где Va - объем компонента в анализируемой газовой смеси, мл; Vобщ. - объем газовой смеси, взятой для анализа, мл.

Опыт 5.9. Определение хлористого водорода в воздухе производственных помещений

Определение малых количеств НС1 в воздухе проводят нефелометрическим методом, основанным на определении мутности растворов при образовании хлорида серебра.

Пробу для анализа отбирают, пропуская воздух с заданной скоростью через поглотительные растворы. Анализируемое вещество накапливается в поглотительных растворах, и затем его определяют соответствующим методом. Поглотительный сосуд для хлористого водорода содержит воду. Воздух со скоростью 50 л/ч пропускают в течение 10 мин через 2 поглотительных сосуда, содержащих 10 мл воды.

Ход определения

В 2 пробирки для колориметрирования емкостью по 10 мл введите по 5 мл раствора из поглотительных сосудов. Приготовьте серию эталонных растворов в семи таких же пробирках. Для этого в шесть пробирок введите из микробюретки 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 мл стандартного раствора КС1 с содержанием хлорид-ионов 0,01 мг/мл, что соответствует содержанию хлорид-иона 0,005; 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05 мг. В первую пробирку стандартный раствор не вводите. Объемы растворов в пробирках доведите водой до 5 мл. В пробирки с исследуемыми и эталонными растворами добавьте из пипеток по 2 мл 10 % раствора азотной кислоты и 1 мл 1 %

147

раствора нитрата серебра, перемешайте и через 10 мин сравните на черном фоне интенсивность помутнения исследуемых и эталонных растворов.

Расчет содержания хлористого водорода Содержание НС1 (в мг/м3) вычисляют по формуле

	a V					a1 V1
								×1,03 1000,	(5.27)
			V		+V V
X = V		2		0
					3 0

где а и а1 - содержание хлоридов в эталонах, интенсивность помутнения которых оказалась наиболее близкой к исследуемым растворам, мг; V и V1 - объемы воды, взятые для определения из поглотительных сосудов, мл; V2 и V3 - объемы растворов, взятые для определения из поглотительных сосудов, мл; V0 - объем воздуха, отобранного для анализа, приведенный к нормальным условиям, л ; 1,03 - коэффициент пересчета хлорид-иона на НС1.

Объемы воздуха приводят к нормальным условиям по формуле

V	0	=	Vв 273 Р		,	(5.28)
		(273		+t) 760

где Vв - объем воздуха при отборе пробы, л; Р - атмосферное давление при отборе пробы, мм. рт. ст.; t - температура в помещении, оС.

Сравните полученные данные с ПДК НС1 в воздухе производственных помещений.

Опыт 5.10. Определение хлора в воздухе производственных помещений

Данный экспресс-метод основан на реакции окисления хлором о-толуидина с образованием соединения, окрашенного в желтый цвет.

Ход определения

В поглотительный сосуд емкостью 5 мл внесите пипеткой 3 кг поглотительного раствора и пропустите 20 мл анализируемого воздуха из шприца. Раствор из поглотительного сосуда перенесите в колориметрическую пробирку и сравните интенсивность его окраски со шкалой стандартов.

Содержание хлора в воздухе (в мг/м3) определите по формуле

	X =	a 1000	,	(5.29)
		V
	0

148

где а - содержание хлора, найденное по шкале стандартов, мг; V0 - объем воздуха, отобранного для анализа, приведенный к нормальным условиям, л.

Сравните полученное содержание хлора в воздухе с ПДК.

5.3.4. Анализ газовых смесей методом газоадсорбционной хроматографии

Характерной особенностью метода является многократность повторения адсорбции и десорбции разделяемых компонентов, что обусловливает достаточную его эффективность.

Разделение веществ происходит в колонках, заполненных твердым адсорбентом. Подвижная фаза (газ-носитель) в определенной последовательности, зависящей от склонности к адсорбции отдельных компонентов газовой смеси, выносит их из колонки. Контроль разделения осуществляется детектором, реагирующим на изменение состава газа при его выходе из колонки. Обычно сравнивают теплопроводности газаносителя и анализируемого вещества.

Аппаратура для хроматографического разделения газовых смесей состоит из четырех основных узлов: 1) устройства для подачи газа-носителя и регулирования газового потока; 2) входной ячейки для впуска пробы - исследуемой газовой смеси; 3) хроматографической колонки; 4) детектора.

Принципиальная схема газового хроматографа приведена на рис.5.8.

Рис.5.8. Принципиальная схема газового хроматографа

Прочность удерживания сорбентом поглощенных веществ зависит от их физико-химических свойств и от условий, при которых осуществляется хроматографический анализ. Прочность удерживания исследуемых компонентов определяется так называемым временем удерживания и служит характеристикой этих компонентов. Кривая изменения концентрации разделенных веществ в зависимости от времени удерживания называется хроматограммой.

На рис. 5.9 изображена хроматограмма газовой двухкомпонентной

149

смеси. 001 - нулевая линия. Точка 0 соответствует вводу анализируемой пробы. Кривые АГВ и ДЗЖ носят название хроматографических пиков разделенных веществ. На хроматограмме время удерживания соответствует времени выхода пика, которое принято считать с момента ввода пробы до появления максимума пика, т. е. ОГ и ОЗ. Чтобы в значительной мере исключить влияние условий хроматографирования на этот параметр, находят относительное время удерживания, т. е. отношение времени удерживания данного компонента к времени удерживания вещества, принятого за эталон.

Расшифровка хроматограммы проводится различными методами. Одно из возможных направлений - сравнение времени удерживания анализируемых компонентов с временем удерживания известных соединений.

Рис.5.9. Хроматограмма двухкомпонентной газовой смеси

Для этого к исследуемой пробе добавляют стандартное вещество и по значениям относительных времен удерживания характеризуют компоненты смесей. Наличие или отсутствие компонента может быть определено добавлением этого вещества к анализируемой смеси. В первом случае происходит увеличение соответствующего пика хроматограммы, во втором - появляется новый пик. Концентрацию компонентов анализируемой смеси рассчитывают как отношение площади соответствующего пика к сумме площадей всех пиков.

Опыт 5.11. Хроматографический анализ газовой смеси, состоящей из O2, N2, СО, СН4

Анализ проводят на хроматографе ХЛ-4.

Условия анализа: газ-носитель водород, скорость 30 см3/мин, рабочая температура колонки и детектора 20 оС, рабочий ток детектора 100 мА, объем пробы для анализа 2 мл. Колонка хроматографа длиной 1,5 м, диаметром 4 мм заполнена молекулярными ситами СаХ с зернением 0,25- 0,5 мм, активированным при 600 оС в течение 4 ч.

Проведение анализа

150

Прибор подготовьте к работе. Из газовой бюретки через дозатор в систему введите пробу исследуемого газа и запишите пики выходящих компонентов. После проведения анализа обработайте хроматограмму. Найдите площадь пиков на хроматограмме. Умножьте полученные площади пиков хроматограммы на коэффициенты, учитывающие разницу в теплопроводности (табл. 5.8). Площадь пика каждого компонента есть произведение высоты пика на его ширину, измеренную на половине высоты.

Содержание каждого компонента определите по формуле
X	i	=	Si 100	,	(5.30)
			∑Si
где Xi - содержание компонента,			%; Si - исправленная		площадь пика

компонента; Σ Si - суммарная исправленная площадь.

Таблица 5.8 Поправочные коэффициенты, учитывающие разницу в теплопроводности (газ-носитель водород, стандарт н-бутан)

Соединение	Азот	Кислород	CO	CH4	CO2
Поправочный
коэффициент	1,76	1,95	1,87	2,03	1,55

5.3.5. Утилизация вредных примесей

Опыт 5.12. Утилизация диоксида серы

Для очистки газов, содержащих SO2, используют хемосорбционные методы. Для абсорбции используются вода, водные растворы и суспензии солей щелочных и щелочноземельных металлов, аммиачная вода. В пробирку насыпьте кристаллы сульфита натрия, добавьте 6-8 капель 4 н раствора серной кислоты и быстро закройте пробкой с газоотводной трубкой. Выделяющийся в пробирке газ направьте поочередно в две пробирки с водой и аммиачной водой. В пробирку с водой добавьте нейтральный раствор лакмуса, а в пробирку с аммиачной водой - раствор фенолфталеина. Наблюдайте изменение цвета лакмуса и фенолфталеина.

Напишите уравнения реакций получения диоксида серы, реакции его с водой и NH4OH.

Опыт 5. 13. Утилизация сероводорода фосфатным методом

Для абсорбции сероводорода фосфатным методом применяют растворы, содержащие 40-50 % фосфата калия.

151

В пробирку насыпьте мелкие кусочки сульфида железа FeS. Добавьте 8-10 капель концентрированной соляной кислоты (d = 1,19 г/см3). Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, направьте газ в пробирку с 40 % раствором К3РO4:

К3РO4 + Н2S = КНS + К2НРO4.

(5. 31)

После окончания реакции проверьте наличие сероводорода в воздухе пробирки, проведя качественную реакцию на сероводород. Запишите наблюдения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите основные источники загрязнения атмосферы машиностроительным комплексом.

2.Загрязнение атмосферы транспортом.

3.Что такое организованный и неорганизованный промышленный

выброс?

4.Виды газовых выбросов и их состав.

5.Вредное влияние компонентов газовых выбросов на организм человека. ПДК.

6.Методы очистки газов от пыли и принцип действия пылеулавливающих аппаратов.

7.В чем заключаются абсорбционные методы очистки газов? Их классификация.

8.Способы очистки газов от SO2, оксидов азота, сероводорода, оксида углерода, галогенов и их соединений.

9.Характеристика и селективность абсорбентов.

10.Суть адсорбционных методов очистки газов.

11.Каталитические методы очистки газов.

12.Методы контроля и приборы для измерения концентраций примесей в атмосфере.

152

6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Биотехнологию можно определить как совместное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для промышленного применения полезных свойств микроорганизмов и культур тканей.

Экологическая биотехнология - это специфическое применение биотехнологии для решения проблем защиты и восстановления окружающей среды.

К сфере экологической биотехнологии могут быть отнесены следующие основные направления природоохранной деятельности:

-аэробная и анаэробная биоочистка и стабилизация сточных вод;

-переработка твердых отходов, утилизация ила сточных вод;

-переработка отходов сельского хозяйства, биокомпостирование;

-разложение галогенорганических загрязнений окружающей среды, генная инженерия;

-использование микроорганизмов в качестве гербицидов и биопестицидов;

-получение металлов методом «бактериального выщелачивания» сульфидных минералов.

6.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с основными направлениями экологической биотехнологии и экспериментальное изучение практического использования свойств микроорганизмов в природоохранной деятельности человека.

6.2.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.2.1.Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка - это широко применяемый на практике метод очистки производственных и бытовых стоков с помощью микроорганизмов - минерализаторов, которые используют органические вещества в процессе своей жизнедеятельности. Сообщества этих микроорганизмов сформировались в окружающей среде в процессе длительной эволюции и являются важнейшими элементами экологических систем. Они включают множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Для биологической очистки сточных вод используются два типа процессов:

1) аэробные процессы, в которых микроорганизмы используют кислород, растворенный в сточных водах;

153

2)анаэробные процессы, в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к другим акцепторам электронов, таким как нитрат-ион. В этих условиях, в качестве акцептора электронов микроорганизмы используют углерод, входящий в состав органических молекул.

Аэробная очистка сточных вод с точки зрения экологической биотехнологии наиболее важна для очистки и стабилизации сточных вод. Для этой цели существует много различных конструкций реакторов, но в общем они разделяются на два основных типа: гомогенные реакторы (аэротенки, циркуляционные окислительные каналы) и реакторы, в которых неподвижная биопленка нанесена на инертный материал (биофильтры). В процессах с активным илом загрязнения в очищаемых стоках окисляются взвешенными бактериальными флокулами, а в биофильтрах загрязнения окисляются в биопленке, образуемой бактериями, прикрепленными к твердой насадке.

Впростейшем случае процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействие отфильтрованных (отстоявшихся) стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке и отделения очищенной жидкости от частиц активного ила в отстойнике. Из отстойника удаляют большую часть свободной от твердых частиц надыловой жидкости, а активный ил возвращается в аэротенк. Частицы активного ила представляют собой флокулированную смесь бактерий и простейших.

Применительно к илу термин «активный» значит, что биомасса:

1)представляет собой микрофлору, содержащую все ферменты системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить;

2)имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;

3)способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отстаивании.

Вактивном иле идентифицированы бактерии множества различных видов, среди которых можно выделить только три основные группы:

углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, углеродокисляющие нитчатые бактерии, бактерии - нитрификаторы. Флокулообразователи необходимы не только для деградации, но и для образования стабильных флокул, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила

вотстойнике. Нитрификаторы превращают аммонийный азот в нитраты:

NH3	+O2	Nitrosomonas		-	;
		→NO		2
-	+O2	NitroBacter	-
NO2		→NO3.

Простейшие потребляют бактерии и обеспечивают низкую мутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около 200 видов

154