2. Лекция №2. Показатели качества природной воды
Оценка воды для питьевого или хозяйственного водоснабжения, выбор технологии
очистки сточных вод строятся на данных химического анализа.
Химический анализ
Анализ природных вод Анализ сточных вод
Количественный состав 1. Качественный состав
2. Количественный состав
СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству
воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль
качества
3. 1. Физические показатели качества воды
температура Цветность
запах
воды
Мутность Вкус и привкус
(прозрачность)
СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству
воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль
качества
4. Температура воды
Температура воды является очень важным показателем.
От нее зависит растворимость газов в воде.
Она определяет скорость протекания химических процессов, которые могут изменять
качество воды.
Температура определяется с помощью термометров с точностью до 0,10С.
Измерения можно проводить:
•непосредственно в водоисточнике
•в отобранной пробе через 5 минут после погружения термометра.
5. Мутность (прозрачность) воды
В воде присутствуют различные взвешенные частички диаметром более 100 нм.
Например, песок, глина, продукты
распада растительных и животных
организмов.
Максимальное значение наблюдается в
предпаводковый период и во время паводка.
Мутная вода сильнее нагревается у поверхности.
Так как теплая вода имеет меньшую плотность,
то нагретый слой как бы "плавает" по
поверхности холодной и поэтому более тяжелой
воды. Этот эффект расслоения воды на почти не
перемешивающиеся слои называется
стратификацией водного объекта.
Для питьевой воды (СанПиН. Питьевая вода 2.1.4.1074-01) мутность не должна
превышать 2,6 мг/дм3
6. Определение мутности воды
1. визуально – по степени мутности столба высотой 10–12 см в мутномерной
пробирке. (качественный анализ)
Мутность не заметна (отсутствует)
Слабо опалесцирующая
Опалесцирующая
Слабо мутная
Мутная
Очень мутная
2. фотометрически (турбидиметрически – по ослаблению проходящего света
или нефелометрически – по светорассеянию в отраженном свете)
(количественный анализ)
Анализатор мутности
(турбидиметр)
7. Определение прозрачности воды
Определение прозрачности воды - обязательный компонент программ наблюдений
за состоянием водных объектов.
1. Если количество взвешенных частиц невелико, то определяют прозрачность
питьевой воды, величину обратную мутности.
2. Метод Снеллена
Основан на визуальном различии
шрифта через толщину воды.
9. Цветность воды Причина возникновения:
•избыточное содержание гумусовых веществ и фульвокислот
(на торфяных грунтах);
•соединениями железа, Определяют фотометрически
•Развитие водорослей – путем сравнения проб
испытуемой жидкости с
растворами, имитирующими
цвет природной воды.
Определения проводятся по платиново-кобальтовой и
дихромат-кобальтовой шкалам. Один градус платиново-
кобальтовой шкалы соответствует цвету 1 л воды,
окрашенной добавлением 1 мг соли – хлорплатината
кобальта. Цветность определяют по градуировочному
графику и выражают в градусах цветности.
Для вод хозяйственно-питьевого водоснабжения цветность не должна превышать
20 градусов.
10. Вкус и привкус воды Вкус природных вод обусловлен растворенными
солями, газами, органическими соединениями,
образующимися в процессе жизнедеятельности
живых организмов.
отмечают четыре вкуса:
горький,
сладкий,
кислый
соленый
вода должна быть чистой и обеззараженной
Для питьевой воды вкус и привкус не должны превышать 2 баллов при 200С
11. Запах воды Запах воды определяется спецификой минерального,
газового составов и температурой.
Происхождение запаха
естественный искусственный
возникают в результате появляются при
жизнедеятельности водных загрязнении
организмов и при разложении водоисточников
органических веществ. сточными водами
Характер Примерный род запаха фенольный,
Ароматический Огуречный, цветочный хлорфенольный, хлорный,
Болотный Илистый, тинистый
Гнилостный Фекальный, сточной воды
керосиновый
Древесный Мокрой щепы
Плесневый Затхлый, застойный
Рыбный Рыбы, рыбьего жира
Сероводородный Тухлых яиц
Травянистый Скошенной травы, сена
Неопределенный Не подходящий под предыдущие
Для воды хозяйственно-питьевого назначения запах при 200С и при нагревании
до 600С не должен превышать 2 баллов.
12. Определение запаха воды
Определение запаха проводится органолептическим методом. Запах воды следует
определять в помещении, в котором воздух не имеет постороннего запаха.
1. Сначала определения ведут при температуре 200С. В колбу с притертой
крышкой помещают исследуемую воду при соответствующей температуре,
закрывают, перемешивают, после чего определяют характер и интенсивность
запаха.
2. Затем определение ведут при 600С. В колбу помещают воду, накрывают колбу
часовым стеклом и нагревают на водяной бане до 600С, перемешивают,
сдвигают часовое стекло и быстро определяют запах.
13. 2. Химические показатели качества воды
Полный санитарно-химический анализ включает
более двадцати определений. Однако в полном
анализе не всегда есть необходимость.
Основные показатели воды
ионов Са2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Cl-, SO42- и др.;
азотсодержащих веществ: азотаммонийных солей
(NН4+), нитритов и нитратов (мг/л);
Кислотности и щелочности (мг-экв/л);
активной реакции среды, рН
жесткости воды (мг-экв/л);
различных форм углекислоты
окисляемости (мг O2/л);
растворенного кислорода (мг O2/л);
биохимического потребления кислорода (БПК, мг О2/л);
свободного хлора (мг/л);
14. 3. Выражение результатов анализа воды
Существуют следующие способы выражения состава природных вод:
1) атомная форма;
2) ионная форма;
3) эквивалентная форма;
4) солевая форма;
5) форма комбинирования отдельных ионов в группы;
6) оксидно-ангидридная форма. Последняя форма является устаревшей и в
настоящее время почти не находит применения.
15. Наиболее распространенные формы выражения результатов анализа воды ионная
и эквивалентная: результаты определения выражают в виде концентраций
ионов, реально присутствующих в водных растворах.
Для выяснения количественного соотношения между концентрациями ионов
массовое содержание их переводят в эквивалентное.
Нужно знать эквивалентные массы Пересчет анализа, выраженного в
ионов, наиболее часто встречающихся в массовой форме, в эквивалентную
воде: производится делением
количества миллиграммов
Натрий Na+ 23,0 каждого иона на его
Калий K+ 39,1 эквивалентную массу.
Кальций Ca2+ 20,04
Магний Mg2+ 12,15 Задача: Выразить результаты
Хлорид-ион Cl- 35,5 исследования в эквивалентной
Сульфат-ион SO42- 48,0 форме (мг-экв), если при анализе
Гидрокарбонат-ион HCO3- 61,0 воды найдено: 9,99 мг/л Мg2+ и 39,5
Карбонат-ион CO32- 30,0 мг/л SO42-.
Решение
Содержание Мg2+ = 9,99/12,15 = 0,82 мг-экв/л (ммоль/дм3); содержание S042- = 39,5/48 = 0,82
мг-экв/л (ммоль/дм3).
После проведенного полного анализа воды сумма мг-экв катионов должна равняться сумме
мг-экв анионов, в противном случае в анализе имеется неточность.
16. 4. Некоторые понятия химического анализа в водоподготовке
Задачи:
•Определение химического состава анализируемой пробы.
•Исследование процессов по времени
Для решения поставленных задач существуют специальные методики анализа.
Терминология
Методы анализа – это универсальные и теоретически обоснованные способы
определения состава вещества.
Проба – предмет аналитического исследования
Средства анализа – это реактивы, стандартные образцы, приборы.
Химический анализ
качественный количественный
17. Сущность Качественного анализа
Обнаружение проводится путем идентификации
веществ.
Идентификация – это установление идентичности исследуемого
химического соединения с уже известным веществом путем
сравнения их физических и химических свойств.
Идентификация вещества в качественном анализе
проводится по возможности протекания реакции с
данным реагентом
Эффективность протекания реакции характеризуется аналитическим
сигналом
18. Аналитические сигналы
Аналитический сигнал - сигнал, дающий
информацию о химическом составе вещества.
Виды аналитических сигналов
В химических В физических и
методах физико-химических
методах
сигнал, возникающий в результате сигнал обычно получают и
химической реакции, наблюдают, регистрируют с помощью
как правило, визуально специальной аппаратуры.
19. Индикаторы
Индикатор - соединение, позволяющее визуализировать изменение
концентрации какого-либо вещества или компонента.
В зависимости от назначения различают группы индикаторов:
Кислотно-
Редокс-
основные
металлоиндикаторы индикаторы
(контролируют (контролируют
величину pH в (контролируют величину pH в
кислотно-основных присутствие катионов окислительно-
реакциях). металлов). восстановительных
реакциях).
Например, Например, эриохром
фенолфталеин, черный. Например,
метилоранж дифениламин
20. Результат качественного анализа
Положительный Отрицательный
Компонент содержится в Компонент не содержится
пробе в пробе
Критерием выбора результата служит аналитический сигнал
Предел обнаружения –
это наименьшее
количество или
концентрация
компонента, которое
может быть обнаружено с
помощью данной
методики (реакции).
21. Сущность количественного анализа
Предмет количественного анализа – изучение методов, позволяющих
определять количественный состав вещества.
Задача количественного анализа – определение количественного
содержания химических элементов в соединениях
22. Методы химического анализа для курса «Химия воды»
Титриметрический
фотометрия
(объемный)
хроматография электрохимический
23. 1. Титриметрический метод анализа
Титриметрия относится к количественным методам анализа.
Сущность: в точном измерении объемов реагентов.
В объемном анализе определяют концентрацию, т.е. количество вещества в
определенном объеме
Под общим названием "титриметрический анализ" объединяют количественные
определения, осуществляемые титрованием.
Титрование заключается в постепенном добавлении к порции раствора
анализируемого вещества порций раствора реагента с точно известной
концентрацией до полного прохождения химической реакции между
реагентом и определяемым веществом.
Момент окончания титрования регистрируют по изменению окраски индикаторов
или по изменению окраски титруемого раствора.
Момент окончания титрования называют точкой эквивалентности.
Раствор реагента с точно известной концентрацией называют стандартным
или рабочим.
В основе метода лежит закон эквивалентов Дальтона.
24. Закон эквивалентов Дальтона
Вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах
(или согласно своим химическим эквивалентам): n1 = n2 .
Используя данный закон можно определять концентрации растворов.
Выразим эквиваленты веществ через их нормальные концентрации:
n = CН∙V .
Тогда для двух реагирующих соединений, в соответствии с законом Дальтона
имеем: Cн1∙V1 = Cн2∙V2 .
По данной формуле можно рассчитать неизвестную концентрацию определяемого
вещества Cн2 если известна концентрация другого вещества, а так же определены
объёмы реагирующих веществ:
Cн2 = Cн1∙V1/V2 .
Сущность метода основана на точном измерении количества
реактива, израсходованного на реакцию с определяемым
веществом.
Название метода произошло от слова «титр».
Титр – один из видов массовой концентрации, в переводе с французского означает - титул,
качество.
Титр показывает число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора (титр по исходному веществу) ;
[г/мл]
26. Применение pH - индикаторов
в титриметрии индикаторы применяют для получения точки эквивалента
Изменение окраски индикатора при титровании связано с увеличением или
уменьшением концентрации ионов H+.
Величину рН, при которой заканчивается титрование с данным индикатором,
обозначают через рТ и называют показателем титрования.
Индикатор pT
Метиловый оранжевый 4
Метиловый красный 5,5
лакмус 7
фенолфталеин 9
Точность титрования зависит от того, насколько резко изменяется рН раствора
вблизи точки эквивалентности.
27. Стандартные растворы
Первичные Вторичные
готовят растворением точно готовят раствор с приблизительной
взвешенного количества чистого концентрацией, близкой к
химического вещества известного желаемой, далее определяют его
состава в определенном объёме концентрацию (титруют) по
растворителя подходящему первичному
стандарту
Требование:
•состав должен строго •состав может не
соответствовать химической соответствовать химической
формуле формуле
•Устойчивое соединение •неустойчивое соединение
28. 2. Фотометрические методы анализа
Фотоколориметрия УФ - спектроскопия ИК - спектроскопия
поглощение поглощение поглощение веществом
веществом энергии в веществом энергии в энергии в инфракрасной
видимой области ультрафиолетовой области спектра
спектра области спектра
λ > 800 нм
λ = 400 – 800 нм λ = 200 – 400 нм
Различаются в зависимости от областей спектра поглощения
29.
30. Сущность метода фотоколориметрии
Фотоколориметрия основана на поглощении веществом
энергии в видимой области электромагнитного спектра
(область спектра с длиной волны от 400 до 800 нм).
Главным условием анализа в видимой области спектра
является наличие цвета в анализируемой пробе.
Содержание анализируемого вещества в пробе определяется по светопоглощению
его окрашенного раствора.
Для измерений в видимой области спектра применяется фотоэлектроколориметр (ФЭК).
«фотоколориметрия» - изменение цвета.
31. Основные узлы оптических приборов адсорбционной
фотометрии
Источник Монохроматор Кювета с
излучения (светофильтр) раствором
Фотоэлемент
(преобразует энергию
фотонов в
электрическую)
Регистратор
электрическо
го тока
32. Кюветы для ФЭК
Анализируемый раствор помещается в кювету. Кювета представляет собой
контейнер, сделанный из материала, хорошо пропускающего световые лучи.
Материал для кювет может быть разным в
зависимости от области электромагнитного
спектра, где происходит измерение.
Например, для видимой области спектра это стекло,
для ультрафиолетовой – кварц.
33. Фотометрические реакции
фотометрические реакции - сопровождающиеся образованием или
разрушением светопоглощающих соединений.
Основными реактивами здесь являются комплексообразователи.
Большинство катионов металлов в водных растворах плохо поглощают световые
лучи в видимой области спектра.
Поэтому их путем химических реакций переводят в интенсивноокрашенные
комплексы.
3 3
Fe 6SCN Fe( SCN )6
Полученное соединение неустойчиво, т.к. роданид ионы в состоянии стояния проявляют
восстановительные свойства и восстанавливают трехвалентное железо в двухвалентное. Поэтому для
стабилизации этого соединения нужно добавить перекись водорода.
Т.к. растворы солей трехвалентного железа легко гидролизуются, то для подавления гидролиза
необходимо создать кислую среду с помощью азотной кислоты.
34. Прохождение света через окрашенный
раствор
Проходя через кювету с окрашенным раствором, интенсивность светового потока
ослабевает за счет частичного отражения световых лучей от стенок кюветы и
поглощения окрашенным раствором.
J0 J
Jот Jп Jот
Интенсивность падающего светового потока J0 при прохождении через поглощающий
раствор разлагается на составляющие:
•интенсивность светового потока J, прошедшего через слой вещества;
•интенсивность отраженного светового потока Jот;
•интенсивность светового потока Jп, поглощенного раствором вещества.
Между этими величинами устанавливается соотношение:
J0 = J + Jп + Jот (1)
35. Закон Бугера-Ламберта-Бера
J0 J Jп J от
Таким образом, J 0 J
J0
Величина D lg называется оптической плотностью вещества.
J
Оптическая плотность – мера непрозрачности вещества для световых лучей.
Для абсолютно прозрачного раствора D=0, для абсолютно непрозрачного
D
D c l
ε-молярный коэффициент светопоглощения (зависит от природы вещества, температуры
растворителя и длины волны света)
с-концентрация поглощающего вещества, моль/л
l-толщина поглощающего слоя, см
Оптическая плотность растворов прямо
пропорциональна концентрации поглощающего
вещества и толщине поглощающего слоя.
36. Графическое выражение закона Бугера – Ламберта-Бера
•Закон справедлив только для
монохроматического
источника излучения (для
одной и постоянной длины
волны).
•Линейная зависимость
наблюдается только в
определенном интервале
концентраций.
•Для каждого вещества имеется
ПДК, выше которой начинается
отклонение от этого закона.
38. 3. Хроматография
Хроматография - универсальный и
эффективный метод разделения смесей
соединений.
позволяет не только разделять компоненты
сложной смеси и идентифицировать их, а так
же, определять ее количественный состав
массу каждого компонента определяют различными методами:
•химическими
•физико-химическими
•Физическими
39. Сущность хроматографии
Фазы системы
Неподвижная Подвижная
(НФ) (ПФ)
Неподвижной фазой обычно Подвижная фаза представляет
служит твёрдое вещество (его собой жидкость или газ,
часто называют сорбентом) или протекающий через НФ
плёнка жидкости, помещённая
на твёрдое вещество
Разделение веществ основано на распределении компонентов между двумя фазами
– неподвижной (НФ) и подвижной (ПФ).
40. Ионообменная хроматография
основана на явлении обменной сорбции
Сорбция - процесс, связанный с накопление того или иного компонента в
неподвижной фазе или на границе раздела фаз
В ионообменной хроматографии НФ (сорбент) называют ионообменником
При пропускании раствора,
содержащего электролиты, через
ионообменник происходит
обратимый обмен ионов, находящихся
в растворе, на ионы, входящие в состав
ионообменника.
Разделение ионов связано с различной
способностью к обмену ионов
раствора, проходящего через
ионообменник.
Метод используют для разделения и определения ионов при помощи
ионообменников. Наиболее широко этот метод применяют для определения
неорганических ионов
41. Ионообменные материалы
Неорганические Органические
•оксид алюминия ионообменные смолы на основе
•слабокислые алюмосиликаты; полистирола
•слабоосновные (оксиды, гидроксиды)
алюмосиликаты, Матрица состоит из трехмерных ВМС (полистирол,
фенолформальдегидная смола).
•гидроксид циркония, оксид алюминия
Гранулы состоят из длинноцепных макромолекул
полистирола, связанных редкими «мостиками»
Горные породы того же состава.
Сами гранулы полистирола являются инертными в
отношении ионного обмена и представляют собой
полимерную матрицу ионита.
Для того чтобы инертную полимерную матрицу
сделать активной для ионного обмена, её
необходимо обработать химическими реагентами,
например, концентрированной серной кислотой.
42. Классификация ионообменных материалов по
активному иону
катионообменники анионообменники
являются специально синтезированными Анионообменники содержат в своей структуре
полимерными материалами, нерастворимыми в ионогенные группы основного характера:
воде веществами, содержащими в своей структуре
ионогенные группы кислотного характера: ОН–, -N(CH3)3+; и др.
Их химические формулы схематически представляют
-SO3H - сульфогруппа; -COOH - карбоксильная :
группа и др. R-NH3OH или R-OH; R-NH3F или R-F
R-SO3H; R-SO3Na или R-H и R-Na
(анионообменники могут находиться в двух
(катионообменники могут находиться в двух формах: в основной форме и в солевой форме).
формах: в водородной форме и в солевой форме)
Kатионообменную реакцию можно записать Анионообменная реакция протекает по
в таком виде: схеме:
RH+ Na+ = RNa + H+ R-OH + F– = RF + OH–
Обмен ионов происходит в строго эквивалентных количествах! Именно
поэтому, возможно количественное определение веществ в данном методе.
43. Реакцию обмена между ионами одинакового заряда схематично можно записать
так:
A B A B Соотношение концентраций обменивающихся
ионов в растворе и в фазе сорбента определяется
константой ионообменного равновесия К обм
А и В – ионы в подвижной фазе;
А и В в фазе ионообменника
Применим к данному равновесию закон действия масс:
К обм = АА∙Ав / АА∙Ав ,
где
К обм - константа ионного обмена
Аа и Ав – активность ионов в подвижной фазе
Аа и Ав активность ионов в фазе ионообменника
ионообменник поглощает ионы из раствора, выделеляя в него
эквивалентное число других ионов с зарядом того же знака.
Между катионообменником и раствором происходит обмен катионами, между
анионообменником – обмен анионами
44. Теоретическая емкость ионообменника
теоретическая емкость ионообменника определяется
максимальным количеством ионов, которое он может связать,
и которая совпадает с содержанием в ионообменнике
ионогенных групп.
Емкость ионообменника выражается в миллиэквивалентах (устаревшее название
миллиграмм-эквивалентах) или миллимолях на 1 г сухого или на 1 мл набухшего
ионообменника.
Например, емкость катионита КУ-2 равна 4,8 мг-экв./г
Ионообменники нерастворимы в воде, но обладают способностью к набуханию, за
счет наличия в их структуре гидрофильных ионогенных групп.
Характерной особенностью ионного обмена является его обратимость. Поэтому,
поглощенные катионы могут извлекаться сильной кислотой из ионообменника,
который при этом вновь переходит в водородную форму. Это процесс называется
регенерацией ионообменника
Важная характеристика ионообменника
45. Регенерация ионообменника
Процесс восстановления обменной емкости ионита называется
регенерацией
Регенерация катионитов Регенерация анионитов
если после завершения ионного Аниониты регенерируют щелочью
обмена на катионит
подействовать кислотой, то он
регенерируется и вновь
переходит в активную
водородную форму:
