ТЕМА 1 Вода.методы очистки

Содержание.

Введение. 2

1. Методы обеззараживания воды. 3

1.1. Обеззараживание воды жидким хлором. 3

1.2. Обеззараживание воды диоксидом хлора. 5

1.3. Озонирование воды. 6

2. Локальные установки «Акварос» для улучшения

качества питьевой воды. 7

Практическая часть. 9

Выводы. 11

Литература. 12

ПРИЛОЖЕНИЕ. 14

Введение.

Цель данной экспериментальной работы состоит в том, чтобы рассмотреть предложенные на сегодняшний день методы очистки питьевой воды. А также проанализировать воду из локальной водоочистной установки «Акварос». Эта установка была выбрана не случайно. «Акварос» широко рекламируется на сегодняшний день и находит своего потребителя.

Водный фактор играет важную роль в формировании здоровой среды обитания человека. От его прямого и косвенного воздействия зависят условия жизни и здоровья населения. Из-за антропогенного воздействия большинство поверхностных источников оказываются загрязненными. В результате сбросов промышленных стоков, являющихся одним из основных источников загрязнения водоемов, в воде появляются новые загрязнения, такие как хлорорганические и фосфорорганические соединения, фенолы, нефтепродукты и ионы тяжелых металлов[1].

Ухудшение состояния водоисточников не могло не сказаться на качестве питьевой воды. Низкий технический уровень используемых на очистных станциях технологий водоочистки не обеспечивает необходимого качества потребляемой населением воды, что заметно влияет на состояние здоровья людей.

При длительном воздействии на организм человека повышенных (по отношению к нормативам) концентраций неорганических и органических загрязняющих воду химических веществ наблюдается целый ряд патологических явлений. Никем не контролируемые загрязнения питьевой воды ионами тяжелых металлов могут вызвать самые серьезные негативные последствия. Например, железо опасно тем, что провоцирует сердечные заболевания. Кадмий представляет собой элементарный генетический яд, разрушающий структуру ДНК. Повышенные концентрации меди в питьевой воде вызывают поражение слизистых оболочек, печени и почек. Никель поражает кожу. Алюминий парализует центральную нервную и иммунную системы, особенно угнетающе действует на детей [1,2].

В некоторых регионах России так называемая "мягкая" вода, не содержит необходимых человеку минералов. "Мягкая" вода минерализована в 15-20 раз ниже нормы, из-за чего жители регионов за свою жизнь недополучают несколько килограммов кальция и магния[3].

По данным Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации качество подаваемой населению питьевой воды в последние годы не повышается и остается на уровне 1991 года, а во многих районах ухудшилось в связи с реальными экономическими трудностями и ухудшением экологической обстановки, связанным со сбросом ненадлежащим очищением сточных вод в поверхностные водные источники, используемые в качестве источников водоснабжения [4]. По данным этого доклада около 50 % населения России продолжают использовать для питьевых нужд воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по широкому спектру показателей качества воды.

Крайне неудовлетворительно обстоит дело с качеством питьевой воды в сельской местности, где централизованным водоснабжением пользуются не более 68 % жителей (около 47 % населенных пунктов). Около 59 % сельских жителей забирают воду из водоразборных колонок централизованного водоснабжения. При среднем по Российской Федерации удельном водопотреблении 136 л/сут на одного сельского жителя, удельное водопотребление составляет 60–88 л/сут [5].

1. Методы обеззараживания воды.

Обеззараживание питьевых вод – важный технологический процесс системы водоснабжения. Основная задача процесса – устранение из воды патогенных и иных микроорганизмов, присутствие которых делает её непригодной для питья и хозяйственного использования.

Для малонаселённых мест смогут найти применение только такие способы обеззараживания воды, для которых не нужны какие-либо специальные реагенты и которые позволяют получить дезинфицирующие продукты непосредственно на месте применения из недефицитного сырья.

Существует масса методов по обеззараживанию воды, например:

- обеззараживание воды жидким хлором [6];

- обеззараживание воды диоксидом хлора [6,7];

- озонирование воды [8];

- бактерицидное облучение воды [8,9];

- электрохимическая активация воды (ЭХА) [9];

- комбинированная технология очистки и обеззараживания подземной воды [9];

- обеззараживание воды электролизом [9].

Рассмотрим наиболее распространённые и массовые методы очистки воды.

1.1. Обеззараживание воды жидким хлором.

Хлор поступает на водопроводные очистные станции в металлических баллонах в сжиженном состоянии. Стандартные баллоны содержат от 25-40 до 100 кг жидкого хлора. Из баллонов хлор подается в воду через специальные приборы – хлораторы, в которых осуществляется его дозирование и смешивание с некоторым количеством воды. Полученная «хлорная вода» вводится в обрабатываемую воду.

Бактерицидное действие оказывает активный хлор. Получающиеся в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы ОСl- обладают, наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты, бактерицидным свойством. Сумму С12+НОС1+ОСl- называют свободным активным хлором. При наличии в воде аммонийных соединений или при специальном введении в воду аммиака образуются монохлорамины NH2C1 и дихлорамины NHC12, также оказывающие бактерицидное действие, меньшее, чем свободный хлор, но более продолжительное. Хлор в виде хлораминов в отличие от свободного называется связанным активным хлором [6].

Хлорирование воды имеет много недостатков:

1. Хлор является сильно действующим ядовитым веществом, поэтому водопроводные очистные станции, использующие хлор для обеззараживания, являются объектами повышенной опасности.

2. Необходимость точной дозировки хлора. Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды и отрицательно сказывается на здоровье населения. Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде так называемого остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно нормативным требованиям, для предотвращения вторичного заражения воды концентрация остаточного хлора в ней перед поступлением в сеть должна быть не ниже 0,3 мг/л.

3. Необходимость обеспечения хорошего смешивания хлора с водой и достаточной продолжительности (не менее 30 мин) их контакта.

4. Возможность утечки хлора при использовании напорных хлораторов. Ввиду ядовитости хлора утечка его представляет опасность для обслуживающего персонала .

5. Необходимость хранения большого запаса хлора на станциях. Так как из одного баллона (при комнатной температуре) может быть получено лишь около 0,5—0,7 кг хлора в 1 ч, то при большом общем расходе хлора может возникнуть необходимость одновременного использования значительного числа баллонов. Во избежание этого принимают меры по увеличению съема хлора, обогревая баллоны нагретым воздухом или водой. Однако на крупных водоочистных станциях этих мероприятий оказывается все же недостаточно и приходится применять более емкую тару.

6. Соблюдение особых правил безопасности при устройстве хлораторных. При проектировании и эксплуатации хлораторных установок надо учитывать требования, направленные на предохранение обслуживающего персонала очистной станции от вредного действия хлора [6,7].

Применение хлорной извести технически более просто. Ее растворяют в специальных емкостях, отстаивают, и полученный раствор с определенным содержанием активного хлора дозируют в обрабатываемую воду.

Хлорная известь — один из самых дорогих реагентов, выпускаемых централизованно химической промышленностью, и, кроме того, весьма дефицитный. Она не стойка и со временем теряет свою активность, что не позволяет создавать ее запасы. При этом необходимо учесть, что «активной части» в хлорной извести содержится только 30% и при доставке этого реагента к месту дезинфекции транспортируется около 70% балласта.

1.2. Обеззараживание воды диоксидом хлора.

Наиболее сильным и пролонгированным бактерицидным эффектом обладает диоксид хлора – дезинфектант, широко применяемый в странах Европы и Северной Америки.

Диоксид хлора представляет собой неустойчивый газ, который получают на месте использования в виде водного раствора из 25%-ного раствора хлорита натрия (NaClO2) и 33% соляной кислоты (НCl). Диоксид хлора действует как высокоселективный окислитель, при этом он не вступает в реакции замещения с примесями, содержащимися в воде, и поэтому не образует хлорорганических соединений. Доминирующим конечным продуктом реакции в обработанной воде является хлорит-ион (СlO2-), который также является окислителем.

Диоксид хлора является бактерицидным агентом широкого спектра действия, чья эффективность доказана относительно различных классов микроорганизмов. Известно, что он, как минимум, так же эффективен, как хлор, в отношении бактерий и более эффективен при инактивации простейших и вирусов. Существенным преимуществом перед традиционным хлорированием является и то, что обеззараживающее действие диоксида хлора не зависит от величины рН обрабатываемой воды.

При использовании для постдезинфекции диоксид хлора проявляет двойное действие: бактерицидное и противовирусное – в форме СlO2, бактериостатическое и бактерицидное – в форме хлорита (СlO2-). Как бактерицидное средство он может сохранять активность в воде в течение, по крайней мере, 48 часов, т.е. гарантирует эффективность в течение более длительных периодов, чем хлор. Благодаря этому диоксид хлора предотвращает вторичное загрязнение воды в сети, очищает водопровод и защищает его от биообрастаний. Для обеззараживания очищенной воды используются дозы диоксида хлора от 0,05 до 0,4 мг/л, в большинстве случаев достаточной является концентрация СlO2 0,2 мг/л [7].

Результаты проведенных лабораторных испытаний диоксида хлора показали, что на исходной воде Верхне-Выйского водохранилища с низким уровнем бактериального загрязнения стопроцентный эффект по отношению к бактериям группы кишечной палочки достигается при дозе диоксида хлора 0,2-0,3 мг/л [7]. На основании результатов испытаний диоксида хлора, выполненных лабораториями Свердловского областного центра Госсанэпиднадзора ОблЦГСЭН и Екатеринбургского медицинского научного центра оформлено экспертное заключение о возможности проведения опытно-промышленных испытаний диоксида хлора с подачей воды в городскую сеть. Разработана и согласована с ОблЦГСЭН «Программа по гигиенической оценке диоксида хлора в период опытно-промышленных испытаний», а также «Временный регламент по применению диоксида хлора» [7].

В настоящее время установлено следующее:

- диоксид хлора снижает или полностью удаляет неприятный запах воды, образующийся при хлорировании;

добавление диоксида хлора в воду, обработанную хлором, резко снижает содержание хлорорганических соединений;

при увеличении дозы диоксида хлора до 0,2 мг/л содержание хлоритов не превышает 0,15 мг/л; по мере продвижения воды по разводящей сети содержание хлоритов снижается, что косвенно доказывает, что хлорит-ион также является окислителем и может участвовать в реакциях окиления-восстановления, хотя с более медленной скоростью, чем диоксид хлора;

- обработка диоксидом хлора снижает цветность воды на 5-10%;

- введенный диоксид хлора сохраняется на всем пути движения воды по разводящей сети; в самых удаленных точках сети (13 км от места ввода) его содержание при дозе 0,2 мг/л составляет 0,06-0,1 мг/л.

Основным фактором, сдерживающим распространение хлордиоксидной технологии, считается высокая стоимость хлорита натрия, который в настоящее время не производится на территории Российской Федерации и поставляется из-за рубежа [4,7].

1.3. Озонирование воды.

Озон применяют для доочистки и обеззараживания воды. Использование озона для обеззараживания получило в настоящее время широкое распространение. При введении озона бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором. Кроме того, происходит значительное обогащение воды растворенным кислородом. В отличие от хлорирования после обработки озоном в воде не отмечено канцерогенных соединений, она не имеет запаха и привкуса, как это бывает при хлорировании [8].

Озонирование заключается в пропуске через воду озонированного воздуха, т.е. воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомарную форму (О3). Озон обладает высокой бактерицидной активностью и обеспечивает надежное обеззараживание воды. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с хлором: получается непосредственно на станции очистки воды, не ухудшает вкусовых качеств воды, не ведет к возникновению в ней запахов, отпадает необходимость в регулярной поставке каких-либо химических реагентов и их хранении [6,7,8].

Промышленные генераторы озона – озонаторы – бывают двух типов: пластинчатые и трубчатые. Наибольшее распространение получили озонаторы трубчатые, выполняемые в виде цилиндрических сосудов.

В одном аппарате подобного типа располагают 30 и более отдельных параллельно работающих трубчатых элементов, состоящих из двух концентрически расположенных трубчатых электродов, разделенных цилиндром из диэлектрика (обычно стекла). Вдоль оси озонирующих элементов в кольцевом пространстве между наружными и внутренними электродами движется воздух.

К внутренним электродам подводится высокое напряжение (5-25 тыс. В), а наружные электроды заземляются. Под действием приложенного напряжения воздушный промежуток между диэлектриком и наружными электродами электрически пробивается с образованием газового разряда, в результате чего получается озон – О3.

Бактерицидное действие озона основано на том, что его молекула легко разлагается на молекулу и атом кислорода;

О

3 О2 + О

Выделяющийся при распаде озона атомарный кислород взаимодействует с органическими веществами и веществами бактериальных клеток, окисляя их. Реакция идет достаточно быстро даже при низких температурах, чем объясняется высокая эффективность озона как окислителя и обеззараживающего агента [6].

Имеются и недостатки:

Токсичность озона. Предельно допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,00001 мг/л. В связи с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения озона в помещение. Доза озона для обеззараживания воды зависит от ее свойств и колеблется в пределах от 0,6 до 3,5 мг/л

Сложность получения озона. Атмосферный воздух, забираемый для производства озона, должен быть очищен от пыли, а также осушен. Наличие влаги в используемом воздухе вызывает увеличение расхода энергии, затрачиваемой на получение озона; кроме того, необходимо высокое напряжение (до 20 тыс. вольт). Озонаторные установки энергоемки и требуют квалифицированного обслуживания.

Образование побочных продуктов озонирования и их возможное воздействие на человека. Продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими веществами предположительно представляют собой альдегиды, кетоны и другие соединения. Например, имеются указания на образование при озонировании ряда карбонильных соединений, содержание которых в питьевой воде нормируется (формальдегид, ПДК - 0,05 мг/л, бензальдгид – 0,003 мг/л, фцетальдегид – 0,2 мг/л).

Необходимость специальных устройств введения озона и обеспечения требуемой продолжительности контакта озона с водой.

Озон не обеспечивает бактериальную устойчивость воды. Для исключения этого явления необходимо параллельно производить хлорирование воды [4,8].

2. Локальные установки «Акварос».

Локальные водоочистные установки «Акварос» ориентированы на индивидуальных и коллективных потребителей воды:

- установки индивидуального пользования устраивают у точек водозабора отдельных квартир, коттеджей, садовых участков и жилых домов частного сектора. [9] Производительность таких установок по воде соответствует 5 л/час при давлении в водопроводной сети 3-3,5 атм. Оптимальная технология очистки воды включает следующие стадии: мембранное фильтрование, озонирование и сорбционное фильтрование. Установки снабжены системой промывки мембраны и блоком управления режимом работы озонатора. [10] Системы промывки и управление озонатором автоматизированы;

- установки коллективного пользования устраивают у точек водозабора социально-значимых объектов: больниц, школ, детских садов, столовых, кафе, молочных кухонь, офисов, банков и магазинов.[11] Производительность таких установок составляет от 10 до 100 л/час. Помимо мембранного фильтрования, озонирования и сорбционного фильтрования в их состав следует включить встроенные и выносные баки-накопители чистой воды, а также ультрафиолетовые стерилизаторы. Управление процессами промывки, озонирования, накопления и стерилизации воды полностью автоматизировано. Установки коллективного пользования могут быть использованы для водоснабжения отдельно стоящих многоквартирных домов, а также для производства воды с последующим ее «Развозом» индивидуальным потребителям. [12] Недостатком данной технологии является то, что в процессе обработки воды получается излишне «мягкая» вода, лишенная необходимых человеку полезных веществ. Данный факт подтверждает анализ, проведенный 16 июня 2005 года [13,14]. Результаты анализа представлены в таблице 1 (см.Приложение). [15,16]

Практическая часть.

Согласно методикам (см. Приложение) провели химические анализы и привели все результаты в таблице 2 (показатель по алюминию, для данной установки, был предоставлен разработчиком) [19] .

Согласно данным таблице построили несколько наиболее показательных диаграмм сравнения анализируемых проб воды с ГОСТированными показателями [20].

Как показали экспериментальные данные эффективное перемешивание очищаемой воды над поверхностью мембраны и сброс удаляемых примесей в виде концентрированного раствора позволяют эффективно эксплуатировать мембранную установку без замены фильтрующих элементов. За счет эффекта «самопромывки» мембраны фильтрующая способность установки и ее производительность в течение длительного времени (до 12 и более месяцев) сохраняется практически постоянной.

Вода, прошедшая через мембрану, поступает на вторую стадию очистки. На второй стадии частично очищенная от токсичных примесей вода после мембранного фильтра поступает в промежуточную емкость, в которой подлежит обработке озоном. В процессе озонирования происходит уничтожение вирусов, бактерий и микробов и что не менее важно, под действием озона разрушаются комплексные органические соединения тяжелых металлов.

После обработки озоном вода поступает на третью стадию очистки, где осуществляется ее фильтрование через угольный фильтр. Угольный фильтр служит для доочистки воды от низкомолекулярных органических и хлорорганических примесей. Поскольку предварительно вода прошла две стадии обработки и уже имеет высокие показатели качества, ресурс работы угольного фильтра увеличивается до 12-18 месяцев. В случае применения только угольного фильтра без стадии предварительной очистки воды ресурс его работы заметно снижается до 3-4 недель. После этого угольный фильтр переходит в категорию механического фильтра, который представляет опасность, так как является источником вторичного загрязнения воды.

С целью уменьшения бактериальной загрязненности вода на выходе из угольного фильтра подвергается обеззараживанию за счет проведения процесса вторичного озонирования.

В случаях, когда вода имеет повышенное содержание солей тяжелых металлов, радионуклидов природного и искусственного происхождения в качестве фильтрующей загрузки мы рекомендуем дополнительно применять селективный сорбент природного или искусственного происхождения.

Выводы.

1. В данной работе мы осветили ряд методов по отчистке воды, которою в дальнейшем можно использовать как питьевую. Эти методы на сегодняшний день используются повсеместно, но качество воды не всегда удовлетворяет нас как потребителей. Высокое содержание металлов, хлора, а иногда и наоборот низкое содержание биологически активных компонентов полезных для нашего организма, вызывает вопрос о целесообразности применения воды после предложенных методов очистки.

2. Разработанная технология, реализованная в установке «АКВАРОС», позволяет получить прозрачную, приятную на вкус, без запахов воду, которая соответствует ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» и может храниться сравнительно длительное время без ухудшения ее качества.

3. В отличие от ряда отечественных и зарубежных фильтров, очистка воды на установке «АКВАРОС» не лишает воду биологически важных для организма человека компонентов, кальция, магния и фтора. Около 80% полезных солей остаются в очищенной воде.

4. Основная идея создания технологии«АКВАРОСа» состоит в том, что большая часть загрязняющих воду примесей в виде коллоидных и взвешенных веществ "отсекаются" на первой стадии очистки с помощью мембранной фильтрации.

Литература.

Николадзе Г.И. Водоснабжение. – М.: Стройиздат, 1989. – 496 с.

Л.Е. Тажибаев и др. Обеззараживание воды в полевых условиях. – Алма-Ата: «Кайнар» - 1977. – 80 с.

Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. - М.: Высш.шк. – 1987. – 479 с.

Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука – 1977. – 356 с.

СанПиН 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»

А.Н. Панов «Обеззараживание воды: хлор больше не нужен»/Жилищное и коммунальное хозяйство № 8. 1997.

Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод. – М: Стройиздат – 1979. – 400 с.

Справочник по свойтсвам, методам анализа и очистке воды / Л.А.Кульский, И.Т.Гороновский, А.М.Когановский, М.А.Шевченко: В 2-х ч.- Киев: Наук. Думка – 1980. – 4.1 – 680 с.

А.Н.Ульянов. «Ультрафиолетовое излучение для дезинфекции питьевой воды»/ Сантехника №4. 2003.

«Озонирование в системах водоподготовки»/ Сантехника №3. 2001.

О.Д. Лукашевич, Е.И. Патрушев «Высокоэффективная и надежная технология очистки и обеззараживания подземной воды»/ Водоподготовка и водоочистка. 2004.

Блянкман Л.М., Пономарев В.Г., Смирнова Н.Л. Очистка фильтрующих
материалов. -М.: Энергоатомиздат – 1992. – 141 с,

Казанцев Е.А., Ремез В.П. Сорбционные материалы на носителях в технологии обработки воды // Химия и технология воды, 1995. - 17, №1. С. 50-60.

Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующихматериалов для очистки воды. - Л.: Стройиздат – 1985.

А.Г. Первов, Ю.В. Павлов. «Новейшие технологии подготовки воды в централизованном водоснабжении на основе мембранных технологий»/ Сантехника №1. 2003.

Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента. – М.: Мир – 1981. – 520 с.

П.П. Коростелев. Приготовление растворов для химико-аналитических работ. – М.: Наука – 1964. – 388 с.

Унифицированные методы анализа вод. Под ред. Ю.Ю. Лурье. – М.: Химия – 1973. – 376 с.

ГОСТ 4011 – 72. Вода питьевая. Методы определения общего железа.

СанПиН 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»

ПРИЛОЖЕНИЕ.

1. Определение цветности.

Цветность воды (интенсивность окрашивания) определяется в цилиндрах для колориметрирования или фотоколориметрическим методом путем сравнения с растворами, имитирующими природную цветность воды [17].

Шкала цветности приготавливается в колбах из бесцветного стекла, плотно закрывается пергаментной бумагой и запарафинивается. Шкала хранится в темноте.

Реактивы и оборудование:

исследуемая вода для анализа;

двухромовокислый калий, сернокислый кобальт, дистиллированная вода и серная кислота (х.ч.,  =1,84), для приготовления шкалы цветности или готовая шкала цветности;

мерные колбы емкостью 100 мл и 1000 мл, пипетка емкостью 1 мл для приготовления шкалы цветности;

цилиндры для колориметрирования и штатив или фотоэлектроколориметр с комплектом кювет (диаметром 10 см) для определения цветности;

весы аналитические.

Проведение анализа: Мутная вода перед определением должна быть отфильтрована. Для определения цветности фотоколориметрическим методом необходимо предварительно измерить оптические плотности стандартных растворов и построить градуировочный график в координатах: "цветностьоптическая плотность". Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора относительно стандартного и рассчитывают цветность в соответствии с уравнением градуировочной зависимости.

2. Определение мутности.

Мутность воды надо определять в день отбора пробы или хранить пробу в темноте и анализировать ее не позже чем через 1 сутки после отбора. Если надо ослабить биохимические процессы в пробе, прибавляют к ней 2 мл хлороформа 1 л пробы. Мутность анализируемой воды определяли фотометрическим определением [17].

Реактивы и оборудование:

стандартная суспензия;

кюветы, толщиной поглощающего слоя 10 см;

светофильтр (=530 нм);

стеклянный фильтр №4.

Проведение анализа : Определение мутности фотометрическим способом (ГОСТ 335174) основано на сравнении проб исследуемой воды со стандартными суспензиями каолина. Предварительно измеряют оптические плотности стандартных суспензий и строят градуировочный график (шкалу мутности). Для измерения оптической плотности используют кюветы с толщиной поглощающего слоя 10 см. Измерения проводят при зеленом светофильтре (=530 нм). Раствором сравнения служит исследуемая вода, из которой удалены взвешенные вещества (центрифугированием или фильтрованием через стеклянный фильтр №4). Затем измеряют оптическую плотность и по градуировочному графику оценивают ее мутность.

3. Активная реакция воды (рН).

Небольшая часть молекул воды диссоциирована на водородные и гидроксильные ионы. В химически чистой воде молярные концентрации этих ионов равны и составляют при 25 С 10-7 моль/л. Таким образом, величина произведения обеих концентраций равна 10-14. Это произведение сохраняет постоянную величину и в присутствии веществ, при диссоциации которых образуются водородные и гидроксильные ионы. Поэтому вполне достаточно определить концентрацию одного из них. Практически определяют концентрацию водородных ионов [18].

Поскольку концентрация водородных ионов, или другими словами, активная реакция среды, может иметь самое различное значение и различаться на несколько порядков, принято выражать ее величиной рН, представляющий собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком

рН = –lg [Н+]

Активную реакцию воды определяют, как правило, потенциометрическим методом (рН-метром) при помощи стеклянного электрода.

Реактивы и оборудование

потенциометр для потенциометрического определения;

стандартные пробирки емкостью 8 мл, внутренний диаметр 12,8–13,0 мл.

Проведение анализа: В стаканчик наливают исследуемую воду и проводят измерение рН по шкале потенциометра. Перед каждым погружением в контролируемый раствор электроды необходимо тщательно промыть дистиллированной водой и удалить с них избыток воды фильтровальной бумагой. Электроды должны быть погружены в контролируемый раствор на глубину не менее 2 см.

При измерении рН растворов, температура которых отличается от комнатной (20 C), необходимо применять автоматическую температурную компенсацию, либо при каждом измерении устанавливать указатель ручного корректора на температуру контролируемого раствора. Отсчет величины рН по шкале прибора следует производить после того, как показания примут установившееся значение.

4. Щелочность воды.

Определяют общую щелочность, щелочность по фенолфталеину и по метилоранжу. Под щелочностью понимают способность некоторых компонентов, содержащихся в воде, связывать эквивалентное количество сильной кислоты. Щелочность воды выражается в мг-экв/л, необходимой для ее нейтрализации, что соответствует количеству миллилитров 1 н соляной кислоты на 1 л воды [18].

Общая щелочность природных вод обусловливается анионами слабых кислот: HCO

, СО

, H

SiO

, H

BO

и другими анионами, гидролизующимися с образованием гидроксид-ионов. Раздельное определение ионов HCO

, СО

и ОН

легко достигается титрованием кислотой (например, HСl) с различными индикаторами:

- фенолфталеином (точка эквивалентности при рН~8,3...8,4)  при определении СО

и ОН

СО

+ Н+  HCO

ОН

+ Н+  H2O (8);

- метиловым оранжевым (точка эквивалентности при рН~4)  при определении HCO

HCO

+ Н+  СО2 + H2O (9).

Ионы HCO

, СО

и ОН

при их совместном присутствии определяются сначала титрованием вначале в присутствии фенолфталеина, затем  с метиловым оранжевым. Если щелочность по фенолфталеину равна 0, то общая щелочность обусловлена только ионами HCO

. Поскольку щелочность природных вод практически соответствует концентрации гидрокарбонатных ионов HCO

(если в воде отсутствуют карбонаты СО

) то щелочность природных вод равна карбонатной жесткости, так как в природных водах ионы HCO

связаны только с ионами кальция и магния.

Реактивы и оборудование

фенолфталеин;

метиловый оранжевый:

0,1 н раствор соляной кислоты.

Проведение анализа: Предварительно определяют наличие в воде карбонатов или гидроксид-ионов (карбонатная и гидратная щелочность) по фенолфталеину (щелочная реакция) или измеряют рН (рН>8). Если раствор окрасился в розовый цвет, к 100 мл исследуемой воды добавляют 3 капли раствора фенолфталеина (рН=8,4) и титруют 0,1 н раствором HCl до обесцвечивания (щелочность по фенолфталеину). Затем в ту же колбу добавляют 2...3 капли раствора метилового оранжевого и титруют 0,1 н раствором HCl до перехода желтой окраски в розовую (щелочность по метиловому оранжевому).

Записывают объем, раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование с фенолфталеином и общий объем кислоты, израсходованный на титрование. Общую щелочность Щоб вычисляют по формуле:

Щоб =

,

где VHCl  общий объем соляной кислоты, израсходованный на титрование, мл; NHCl  нормальность раствора соляной кислоты; Vводы объем исследуемой воды, взятой на титрование, мл.

Щелочность по фенолфталеину Щф определяют аналогично по формуле (10), но VHCl в этом случае равен объему раствора соляной кислоты, израсходованному на титрование с фенолфталеином.

5. Окисляемость воды.

Окисляемостью называется величина, характеризующая общее содержание в воде восстановителей (неорганических и органических), реагирующих с сильными окислителями. Таким образом, окисляемость – один из показателей степени загрязнения воды органическими веществами и легко окисляющихся неорганических соединений (солей железа, сульфатов, нитратов, сероводорода).

Результаты определения окисляемости обычно выражают в мг кислорода, эквивалентного расходу окислителя на 1 л пробы. Используем перманганатный метод Кубеля. Метод основан на окислении веществ, присутствующих в пробе воды 0,1 н раствором перманганата калия в сернокислой среде при кипячении.

Перманганат-ион в сильнокислых средах окисляет присутствующие в воде восстановители, восстанавливаясь до двухвалентного марганца:

MnO

+ 8 H+ + 5e  Mn2+ + 4 H2O

Избыток перманганата калия восстанавливается щавелевой кислотой:

2 MnO

+ 5 С2О

+ 16 H+ + 5e  Mn2+ + 4 H2O

Не вступившая в реакцию щавелевая кислота оттитровывается перманганатом калия по приведенному выше уравнению.

Условия применимости метода. Метод применим для определения окисляемости питьевых, поверхностных и малозагрязненных сточных вод. Без разбавления можно определять окисляемость до 10 мг кислорода на литр. Наивысшее допустимое разбавление проб  десятикратное. Пробы консервируют добавлением 2 мл разбавленной (1:2) серной кислоты на каждые 100 мл воды. Пробы питьевых вод надо консервировать, если они не могут быть проанализированы в течение 48 часов после их отбора, пробы поверхностных вод надо консервировать, если анализ их будет проводиться позже, чем через 24 часа; пробы сточных вод и сильно загрязненных поверхностных вод можно не консервировать только в том случае, если их будут анализировать в тот же день, через несколько часов после отбора.

Реактивы и оборудование

серная кислота, разбавленный раствор;

щавелевая кислота 0,1 н. и 0,01 н. растворы; основной раствор и рабочий ;

перманганат калия, 0,1 н. и 0,01 н. растворы; основной и рабочий раствор ;

плоскодонные колбы для кипячения емкостью от 250 до 300 мл, предназначенные только для определения окисляемости;

стеклянные шарики или обожженная пемза.

Проведение анализа: Для определения окисляемости в воде неизвестного состава необходимо предварительно проделать качественное определение (ускоренный метод).

Качественное определение перманганатной окисляемости. В пробирку отбирают 10 мл воды, добавляют 0,5 мл серной кислоты (1:3) и 1 мл 0,01 н раствора перманганата калия. Пробирку рассматривают под углом 40. Приближенные данные получают через 40 мин при температуре 20 С. Цвет пробы сравнивают со шкалой окраски, приведенной в табл. 2:

Таблица 2.

Качественное определение окисляемости

Окраска в пробирке

Приближенная величина окисляемости, мг/л О2

Объем воды, необходимой для исследования, мл

Яркая лилово-розовая

1

100

Лилово-розовая

2

100

Слабая лилово-розовая

4

100

Слабая лиловато-розовая

6

100

Бледно-желтая

8

50

Розовато-желтая

12

25-50

Желтая

16

25

Количественное определение перманганатной окисляемости. В коническую термостойкую плоскодонную колбу емкостью 200...250 мл наливают 20 мл исследуемой и 80 мл дистиллированной воды, 5 мл разбавленной серной кислоты (1:3 по объему) и 10 мл 0,01 н. раствора перманганата.

В колбу вставляют небольшую воронку и кипятят жидкость в течение 10 мин (от начала кипячения). К горячей окрашенной жидкости добавляют из бюретки 10 мл 0,01 н. раствора щавелевой кислоты и горячий обесцвеченный раствор титруют 0,01 н. раствором перманганата до полного обесцвечивания.

Окисляемость х рассчитывают по формуле

х =

,

где V1  количество раствора KMnO4, истраченного на титрование; Vд  объем KMnO4, необходимый для окисления дистиллированной воды (10 мл); К  поправочный коэффициент нормальности перманганата калия; N  нормальность раствора перманганата калия; W  объем воды, взятой для анализа; 8  эквивалентная масса кислорода, 1000  пересчет объема на 1 л [18].

Если раствор при кипячении обесцветился или побурел, необходимо повторить определение с разбавленной пробой. Определение повторяют и тогда, когда перманганата расходуется более 60% добавленного количества. При титровании разбавленных проб не должно быть израсходовано менее 20% добавленного перманганата.

Для приведения перманганата калия точно к 0,01 н. концентрации находят коэффициент поправки К. Для этого в колбу, содержащую оттитрованную до слабо розового цвета горячую жидкость прибавляют 10 мл 0,01 н раствора щавелевой кислоты и оттитровывают перманганатом калия до розового оттенка. Коэффициент поправки равен отношению объема щавелевой кислоты к объему перманганата калия.

6. Содержание общего железа.

Железо постоянно присутствует в поверхностных и подземных водах; концентрация его в этих водах зависит от геологического строения и гидрологических условий бассейна. Как правило, в растворе находится смесь ионов Fe (II) и Fe (III), поэтому, для определения содержания общего железа необходимо предварительно восстановить все железо до двухвалентного, а затем удалить избыток восстановителя. Наиболее распространенными методами определения концентрации ионов железа (II, III) и общего железа являются титриметрический бихроматный метод [19].

Бихромат-ион в кислой среде является сильным окислителем и может быть использован для прямого определения многих восстановителей, например, Fe (II). В основе методики определения лежит суммарная реакция:

6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O

В качестве восстановителя используют металлический цинк, олово (II), алюминий. Точка эквивалентности в данном методе может фиксироваться с помощью Red-Ox  индикатора, либо с помощью индикаторов, образующих окрашенные соединения с титруемым веществом или титрантом. Чаще всего в качестве индикатора используется дифениламиносульфонат натрия.

Для ускорения реакции и полноты восстановления раствор перед титрованием подогревают.

Как отмечено выше, для определения содержания общего железа все трехвалентное железо необходимо предварительно восстановить до двухвалентного. Содержание Fe2+ находят аналогично, но восстановитель не добавляют и раствор не нагревают. Концентрацию ионов Fe3+ находят, вычитая из общего количества железа количество железа (II).

Реактивы и оборудование

Н2SO4 (1:3);

Аl - порошок;

стандартный раствор K2Сr2O7  0,1 н (фиксанал), титр раствора бихромата калия по железу;

дифениламиносульфонат натрия, 0,5% водный раствор;

защитная смесь: 150 мл Н3РО4, 150 мл Н2SO4, 500 мл Н2О.

Проведение анализа: 100 мл исследуемой воды помещают в термостойкую коническую колбу, добавляют 20 мл H2SO4 (1:3) и нагревают до кипения. После 5-минутного кипячения охлаждают до 50 С и 0,4 г порошка алюминия, затем снова нагревают до полного растворения алюминия. По окончании растворения раствор охлаждают, добавляют дистиллированную воду до первоначального объема, 12,5 мл защитной смеси, 20 мл H2SO4 (1:3) и титруют в присутствии индикатора бихроматом калия до перехода окраски.

Содержание железа в исследуемой пробе рассчитывают по формуле

x = Т

/Fe .

где Т

/Fe – титр раствора бихромата по железу, г/мл;
V2 – объем раствора бихромата, израсходованный на титрование исследуемого раствора;
V1 – объем раствора бихромата, израсходованный на титрование холостой пробы.

Таблица 1.

Результаты количественного химического анализа.

п\п

Определяемые показатели

Единица измерения

Результаты исследований

Величина допустимого уровня

НД на метод исследования

1

Общая минерализация

мг/л

61,4 ± 3,1

1000

ГОСТ

18164-72

2

Жесткость общая

мг-экв/л

0,45 ± 0,05

7

ГОСТ 4151-72*

3

Сульфаты

мг/л

< 2

250

ГОСТ 4389-72

4

Хлориды

мг/л

13,9 ± 1,4

250

ГОСТ 4245-72

5

Фториды

мг/л

< 0,05

1,5

ГОСТ 4386-89

6

Йод

мг/л

< 10

125

МУК 4.1.663-97

7

Натрий

мг/л

11,7 ± 1,8

200

ГОСТР 51309-9ипм9

8

Кальций

мг/л

7,1 ± 0,7

130

ГОСТР 51309-99

9

Магний

мг/л

1,2 ± 0,1

65

ГОСТР 51309-99

10

Калий

мг/л

0,38 ± 0,06

20

ГОСТР 51309-99

Таблица 2.

Санитарно-эпидемиологические показатели качества очищенной водопроводной воды.

Стадии очистки

Показатели

№ пробы

Цветность, град

Мутность, мг/л

рН

Щелочность, мг-экв/л

А1, мг/л

Feo6щ, мг/л

Окисляе-мость, мгО2/л

Исходная вода

1

30

0,87

7,2

1,62

0,3

0,7

8

Вода после мембран, модуля

2

15

0,1

7

1,4

0,15

0,25

6,2

Вода после первого озонирования

3

10

0,1

7,3

1,32

0,1

0,1

4

Вода после сорбционного фильтра

4

5

н/о

7,3

1,3

н/о

<0,10

3,1

Очищенная вода после второго озонирования

5

5

н/о

7,3

1,3

в/о

<0,10

2,1

Требования к воде согласно ГОСТ 2874-82

ГОСТ

20

1,5

6,5-8,5

-

0,3

0,3

-