3375

31

вых условиях, используют колориметрический метод или метод одноцветных нитрофенольных индикаторов.

Одноцветные индикаторы - это слабые кислоты, неокрашенные в недиссоциированном состоянии и окрашенные в диссоциированном, поэтому интенсивность окраски их пропорциональна степени диссоциации, которая зависит от концентрации водородных и гидроксильных ионов.

Для определения концентрации водородных ионов в природных водах наиболее часто применяют индикатор мета-нитрофенол.

3.2.2 Щ е л о ч н о с т ь в о д ы

Щелочностью воды называется содержание в ней веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами.

Ca(HCO3 )2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2 + 2H2O .

Расход кислоты выражает общую щелочность воды.

Щелочность воды объясняется присутствием в воде сильных оснований, слабых оснований (гидроксид аммония, анилин, пиридин) и анионов

слабых кислот (HCO3-, CO32-, H2PO4-, HPO42-, HSO3-, SO32-, HS-, S2- и т.д.). Общая щелочность воды (Щобщ) связана с присутствием в ней ионов

ОН-, СО32-, НСО3-.

3.2.3 Ж е с т к о с т ь в о д ы

Жесткость воды связана с присутствием в ней растворимых кальциевых и магниевых солей различных кислот. Жесткость воды бывает карбонатная и некарбонатная. При карбонатной жесткости, называемой временной жесткостью, в воде присутствуют гидрокарбонаты кальция и магния, ее можно почти полностью устранить кипячением:

0

Ca(HCO3 )2 t →CaCO3 ↓ +CO2 + H2O

0

Mg(HCO3 )2 t →MgCO3 ↓ +CO2 + H2O Некарбонатная жесткость, называемая постоянной, обусловлена

присутствием в воде кальциевых и магниевых солей других минеральных кислот, исключая угольную, кипячением не устраняется.

Жесткость воды подразделяют на кальциевую и магниевую. Жесткость выражают в миллиграмм-эквивалентах растворимых солей

кальция и магния на литр.

По жесткости вода подразделяется следующим образом: очень мягкая (от 0 до 1,5 мг-экв/л), мягкая (от 1,5 до 3 мг-экв/л), средней мягкости (от 3 до 4,5 мг-экв/л), довольно жесткая (от 4,5 до 6,5 мг-экв/л), жесткая (от 6,5 до 11 мг-экв/л) и очень жесткая (свыше 11 мг-экв/л).

32

По ГОСТ 2874-73 "Вода питьевая" общая жесткость не должна превышать 7 мг-экв/л, и лишь в отдельных случаях допускается по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы 10 мг-экв/л. Содержание минеральных примесей не должно превышать 1 г/л.

Соли, обусловливающие жесткость воды, не являются вредными для организма, однако присутствие их в воде в больших количествах нежелательно, так как они делают воду непригодной для хозяйственных нужд. В жесткой воде плохо развариваются овощи, перерасходуется мыло при стирке белья, выпадает осадок в водопроводных трубах и т.д. Вода, содержащая такие соли, совершенно непригодна для питания паровых котлов из-за образования плотных слоев накипи на внутренних стенках, которая приводит к перегреву котла и способствует его быстрому разрушению. Поэтому воду, которую используют для питания паросиловых установок, а также ТЭЦ, подвергают специальному умягчению. Вода с повышенной карбонатной жесткостью непригодна для охлаждения технологического оборудования. Охлаждая теплообменную аппаратуру, вода нагревается. При нагревании происходит разложение гидрокарбонатов кальция и выпадение карбонатов в осадок, которые и забивают теплообменник.

3.2.4 К и с л о т н о с т ь в о д ы

Кислотностью воды называется содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными основаниями. Объем 0,1 н. раствора щелочи, израсходованный на титрование таких веществ, соответствует общей кислотности воды и обозначается Р. В природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободной растворенной углекислоты:

CO2 + H2O → H2CO3 → H + + HCO3− → 2H + + CO32− .

Часть кислотности, обусловленная присутствием гуминовых и других слабых органических кислот, растворенных в воде, называется естественной кислотностью воды. Обычно рН такой воды не бывает ниже 4,5.

Кислотность воды в единицах рН должна быть в пределах 6,5-9,5.

3.2.5С о е д и н е н и я ж е л е з а

В некоторых природных водах отмечается повышенное содержание соединений железа. Эти соединения не обладают выраженными токсичными свойствами, но ухудшают качество воды, придавая ей при концентрации ионов Fe3+ более 0,3 мг/л железистый привкус. Поэтому допустимая концентрация ионов железа в питьевой воде составляет 0,3 мг/л.

ПДК железа в воде водоемов составляет 0,5 мг/л. Для ионов тяжелых металлов установлены следующие значения ПДК: ртуть - 0,005; мышьяк (III) - 0,05; свинец - 0,03; цинк - 5; медь - 1; хром (VI) - 0,1; хром (III) - 0,5.

33

3.2.6Х л о р и д ы и с у л ь ф а т ы

Постоянные компоненты природных вод - хлориды и сульфаты - при высоком содержании также отрицательно влияют на качество воды. Так, при концентрации хлоридов более 500 мг/л у воды появляется солоноватый вкус. Сульфаты, если содержание их в воде превышает 500 мг/л, угнетают некоторые функции организма.

Хлориды являются составной частью большинства природных вод. Большое содержание хлоридов геологического происхождения в поверхностных водах - явление редкое. Поэтому обнаружение большого количества хлоридов является показателем загрязненности воды бытовыми или некоторыми промышленными сточными водами.

Естественное содержание сульфатов в поверхностных грунтовых водах обусловлено выветриванием пород и биохимическими процессами в водоносных слоях. Их содержание определяет в известной мере некарбонатную жесткость воды. Содержание сульфатов в водоемах может быть повышенным вследствие сброса в них сточных вод с неорганическими и органическими соединениями серы.

По ГОСТ допускается содержание хлоридов в питьевой воде до 350 мг/л, сульфатов - до 500 мг/л.

3.2.7 С о е д и н е н и я а з о т а

В природных водах азот содержится в форме аммиака, нитритов и нитратов. Азотсодержащие вещества поступают в водоемы со сточными водами содовых, азотнотуковых, коксохимических и других предприятий, с бытовыми сточными водами, а также образуются в воде в результате разложения органических белковых соединений, содержащихся в некоторых промышленных сточных водах. ПДК аммиака в воде водоемов составляет 2 мг/л (по азоту), нитратов - 10 мг/л (по азоту).

3.2.8О к и с л я е м о с т ь

Окисляемостью называется общее содержание в воде веществ минерального и органического характера, реагирующих с сильными окислителями. Количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, есть величина окисляемости, которая выражается числом миллиграммов кислорода, идущего на окисление примесей, содержащихся в 1 л воды (мг О2/л), что является основой метода количественного определения загрязнений в воде и называется ХПК (химическое потребление кислорода).

В зависимости от применяемого окислителя различают перманганатную окисляемость и бихроматную.

При определении перманганатной окисляемости окислителем является перманганат калия в кислой среде. Степень окисления перманганатом калия зависит от химической природы окисляемых веществ и может колебаться в

34

широких пределах. Перманганатная жесткость является очень хорошей

характеристикой питьевых вод, а также вод рек, защищенных от попадания каких-либо промышленных отходов. В чистых родниковых и артезианских водах окисляемость обычно составляет от 1,0 до 2,0 мг О2/л. Окисляемость речной воды колеблется в широких пределах от 1,0 до 60 мг О2/л. Высокие значения ее характерны для рек, бассейны которых расположены в болотистых местностях. Резкое повышение окисляемости воды свидетельствует о загрязнении водного источника и требует применения соответствующих мероприятий при его использовании. Внезапное повышение окисляемости питьевой воды всегда является следствием загрязнения ее бытовыми или промышленными стоками.

Вода обладает чрезвычайно ценным свойством непрерывного самоочищения. Чтобы обеспечить самоочищение загрязненных вод, необходимо их многократное разбавление чистой водой. Если загрязнения настолько велики, что самоочищения воды не происходит, существуют специальные методы и средства для очистки сточных вод.

4 ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОДНЫХ СТОКОВ

Очистка сточных вод осуществляется механическим, физикохимическим, химическим, электрохимическим и биологическим методами. Для ликвидации бактериального загрязнения применяется обеззараживание (дезинфекция) сточных вод.

4.1Методы механической очистки

Для механического удаления из сточных вод нерастворенных примесей применяют решетки, сита, отстойники, фильтры, центрифуги, песколовки, жироловки, маслоловушки, нефтеловушки. Механической очисткой можно выделить из производственных сточных вод до 95 % нерастворенных примесей.

4.2 Физико-химические методы очистки сточных вод

Флотация - удаление из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Процесс очистки вод, содержащих ПАВ, нефть, масла, волокнистые материалы, этим методом заключается в прилипании частиц флотируемого материала к пузырькам газа, всплывании этих комплексов и удалении пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Коагуляция - потеря коллоидными частицами агрегатной устойчивости и слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения или перемешивания. В результате образуются более крупные частицы (агрегаты). Флокуляция отличается от коагуляции тем, что в процессе очистки в сточные воды вводят специальные добавки

35

(флокулянты), способствующие интенсивному оседанию рыхлых хлопьевидных скоплений.

Сорбция - процесс поглощения вещества твердым телом или жидкостью. В качестве поглощающих тел (сорбентов) применяют искусственные и природные пористые материалы: золу, кокс, торф, силикагели, алюмогели, активированные угли и глинистые материалы.

Экстракция - выделение (извлечение) загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей в соответствии с его растворимостью в них. Этот метод применяют в случаях, когда в сточных водах относительно высокое содержание ценных растворенных органических веществ (фенолы, жирные кислоты и др.). В дальнейшем извлекаемые вещества утилизируют.

Ионный обмен - процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы - ионита. Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, хром, цинк, свинец, медь, ПАВ, радиоактивные вещества).

По знаку заряда иониты делятся на катиониты и аниониты. Иониты подразделяются на природные и искусственные. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам - ионообменным смолам.

К мембранным методам очистки сточных вод относятся электродиализ, ультрафильтрация и обратный осмос.

Электродиализ заключается в выделении электролитов из воды под действием постоянного электрического тока при использовании электрохимически активных ионитовых мембран. Применяют электродиализ для очистки природных и сточных вод от растворенных солей.

Ультрафильтрация и обратный осмос основаны на явлении освобождения воды от примесей при прохождении последней через полупроницаемую мембрану под действием прилагаемого извне давления. Прилагаемое давление в методе ультрафильтрации составляет Р=0,07-0,7 МПа, а для обратного осмоса Р=1-10 МПа. Молекулярная масса оделяемых примесей для ультрафильтрации М>500, для обратного осмоса М<500. Обратный осмос и ультрафильтрацию успешно используют при очистке сточных вод химических, целлюлозно-бумажных и других производств для удаления растворенных солей и органических примесей.

4.3 Методы химической очистки

В сточные воды добавляют такие химические реагенты, которые, вступая в реакцию с загрязнениями, способствуют выпадению в осадок нерастворенных веществ. Некоторые нерастворенные вещества переводятся в безвредные растворенные. К химическим методам очистки сточных вод относятся нейтрализация, окисление и восстановление. Химический метод очистки позволяет уменьшить количество нерастворенных загрязнений до 95 %, растворенных – до 25 %.

36

4.4 Электрохимические методы очистки сточных вод

Сущность метода заключается в пропускании электрического тока через загрязненные воды. Образующиеся ионы электролитов направляются к аноду и катоду, где разряжаются и дают новые соединения.

4.5 Методы биологической очистки

Применяется как самостоятельный метод или как заключительный этап доочистки после предварительной очистки другими методами. Сущность биологической очистки заключается в минерализации органических загрязнений при помощи биохимических процессов. Такая очистка осуществляется на специальных участках земли - полях орошения или полях фильтрации. На полях орошения одновременно с очисткой вод выращивают кормовые сельскохозяйственные культуры. Другой естественный способ биоочистки сточных вод - биологические пруды. В искусственных условиях биологическая очистка сточных вод производится в биофильтрах или аэротенках. Биофильтры - крупнозернистый материал, покрытый биологической пленкой и микроорганизмами. Аэротенки - железобетонные резервуары, через которые медленно протекают сточные воды, смешанные с активным илом.

На практике во многих случаях приходится применять комбинацию указанных методов. Если в сточных водах имеются весьма вредные примеси, применяют термические методы, позволяющие уничтожить эти вещества.

В целях предохранения водных ресурсов от качественного истощения необходимо сокращать сброс сточных вод (СВ) в реки и переводить предприятия на оборотное замкнутое водоснабжение с повторным использованием очищенных вод в промышленности, теплоэнергетике и для орошения.

4.6 Методы оценки качества сточных вод

Судить о качественных характеристиках воды можно только путем сопоставления измеренных показателей с нормативными. Нормирование качества воды рек, озер и водохранилищ проводят в соответствии с "Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения" (1988).

Правила устанавливают нормируемые значения для следующих параметров воды: содержание плавающих примесей и взвешенных веществ, запах , привкус, окраска, температура воды, значение рН, состав и концентрация минеральных примесей и растворенного в воде кислорода, состав и предельно допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных веществ и болезнетворных бактерий.

За санитарно-гигиеническим состоянием водоемов в пределах населенных пунктов отвечает санитарно-эпидимиологическая служба Министерства здравоохранения России.

37

5ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

ПО ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

1Одним из методов очистки сточных вод от фосфата, примеси которого усиливают рост бактерий, является осаждение иона РО43- с помощью коагуляции сульфатом алюминия в щелочной среде (при этом получают

фосфат натрия, который обрабатывают хлоридом кальция с образованием нерастворимого осадка). Напишите молекулярное и ионномолекулярное уравнения последней реакции.

2Удаление аммиака из сточных вод достигается окислением его хлором, бромом или бертолетовой солью (в щелочной среде). Составьте уравнения реакций окисления аммиака бромом (продукты реакции азот и бромоводородная кислота); бертолетовой солью (продукты реакции натриевая селитра, хлорид калия и вода). Какой из способов более безвреден в

экологическом отношении?

3 Ионы свинца, содержащиеся в сточных водах многих предприятий, можно осадить, используя реакцию с карбонатом натрия или гидроксидом кальция. Приведите молекулярные или ионные уравнения этих реакций и объясните, как влияет рН раствора на полноту осаждения свинца в случае использования извести.

4Определите, сколько диоксида серы поступит в атмосферу при сжигании 100 т угля с примесью 2,5 % серы. Какое количество серной кислоты можно получить, если уловить образовавшийся оксид полностью и использовать для производства кислоты. Составьте уравнение реакции и

произведите расчеты.

5Сточные воды кожевенных предприятий содержат ионы хрома (+6) и (+3), из них наиболее токсичными являются соединения хрома (+6). Напишите уравнения реакций, которые нужно произвести для восстановления шестивалентного хрома в трехвалентный с последующим его осаждением. К окислительно-восстановительным реакциям составьте элек-

тронные уравнения, к обменным - ионные.

6Для восстановления хрома (+6) в хром (+3) используют сильные восстановители. Составьте уравнения реакций, уравняйте их методом электронного баланса. Какие из написанных вами реакций могут использо-

ваться в реальной очистке сточных вод?

7Сколько литров газообразного хлора потребуется на обезвреживание газообразного аммиака, присутствующего в количестве 0,1 мас. доли в

200 л сточных вод? Составьте электронные уравнения, произведите расчеты.

8При коррозии технического железа в кислой среде образуются ионы двухвалентного железа. Какими реакциями можно обнаружить их в растворе? Напишите молекулярное и ионное уравнения качественной реакции на ионы железа (+2), а также реакции осаждения ионов двухвалентного железа известью.

38

9Почему нельзя добиться одновременного обезвреживания ионов хрома (+3) и ионов сульфида путем сливания сточных вод после процессов дубления и отмочки? Приведите молекулярное и ионное уравнения совместного гидролиза сульфата хрома (+3) и сульфида натрия. Какие реакции можно провести для перевода иона хрома (+3) в нерастворимое состояние? Напишите уравнения соответствующих реакций в молеку-

лярной и ионно-молекулярной формах.

10 Сколько диоксида серы пойдет на реакцию восстановления хрома (+6) в хром (+3) при восстановлении 2940 кг диохромата калия в кислой среде? Напишите уравнение реакции, составьте электронные уравнения, произведите расчеты.

11 Ионы двухвалентного свинца, содержащиеся в сточных водах, можно осадить взаимодействием их с фосфатом натрия или гидроксидом натрия. Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионной формах, объясните, как влияет рН среды на осаждение ионов свинца.

12 Одним из веществ, применяемых в обработке натуральной кожи, является сульфид аммония. Почему сточные воды таких предприятий обладают запахом сероводорода? Приведите молекулярное и ионное уравнение гидролиза сульфида аммония.

13 Для регенерации олова из луженого железа (консервных банок) их обрабатывают сухим хлором, при этом образуется четыреххлористое олово. Второй способ заключается в обработке отходов крепким гидроксидом натрия с образованием станната натрия. Напишите молекулярное и ионное уравнения. К окислительно-восстановительной реакции составьте электронные уравнения.

14 Одним из методов удаления диоксида серы из дымового газа является метод сульфитной адсорбции, который заключается в образовании гидросульфита натрия, диоксида серы и воды. Полученный продукт можно подвергать термической регенерации на заводах по производству серной кислоты. Составьте молекулярное и ионное уравнения реакции, оцените чистоту метода.

15 Какое количество 1 н. раствора гидроксида кальция необходимо затратить на полное осаждение ионов двухвалентного железа из раствора, содержащего 127 г хлорида железа? Какими другими реагентами можно перевести ионы двухвалентного железа в нерастворимое состояние с целью удаления их из сточных вод? Приведите молекулярные и ионные уравнения реакций.

16 Составьте уравнение реакции, которую необходимо провести, чтобы перевести серу из аниона сульфида в нерастворимое состояние окислением до свободной серы перманганатом калия в кислой среде. Составьте электронные уравнения. Напишите уравнение окисления сероводорода кислородом воздуха.

39

17 Дихромат калия в кислой среде может быть восстановлен диоксидом серы из отходящего дымового газа. Затем сульфат трехвалентного хрома можно обработать известью с образованием осадка. Приведите молекулярное и ионное уравнения реакции. К окислительно-восстановительной реакции составьте электронные уравнения.

18 Сульфидами, образующимися при производстве нефти, на химических производствах, при обработке кож, можно осадить ионы меди (+2) из сточных вод других производств, например, текстильных предприятий. Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.

19 Фосфат-ионы из сточных вод предприятий по производству фосфорных удобрений, химической промышленности можно осадить с помощью хлорида трехвалентного железа - отхода травильного производства. Приведите молекулярное и ионное уравнения реакции.

20 Какие неорганические вещества применяют на деревообрабатывающих производствах, для каких целей они используются, чем их можно заменить, какие основные способы получения этих веществ вы знаете?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная литература

1Коровин, Н. В. Общая химия [Текст] : учеб. / Н. В .Коровин. – 3-е изд., испр. – М. : Высш. шк., 2002. – 558 с.

Дополнительная литература

1Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков [Текст] : учеб. пособие для вузов / [Д. А. Кривошеин, П. П. Кукин, В.

Л. Лапин и др.]. – М. : Высш. шк., 2003. – 344 с.

2Исидоров, В. А. Экологическая химия [Текст]: учеб. пособие для вузов / В. А. Исидоров. – СПб : Химиздат, 2001. – 304 с.

3Липунов, И. Н. Основы химии и микробиологии природных и сточных вод [Текст] : учеб. пособие / И. Н. Липунов ; Урал. гос. лесо-

техн. акад. – Екатеринбург, 1995. – 212 с.

4Неклюдов, А. Д. Практический курс по общей химии, биотехнологии и экологическим основам производств [Текст] : учеб. для вузов / А. Д. Неклюдов, А. Н. Иванкин, Г. Н. Федоров. – М. : Изд-во МГУЛ, 2004.

– 500 с.

5Охрана окружающей среды [Текст] : учеб. / авт.-сост. А. С. Степановских. – М. : ЮНИТИ, 2000. – 559 с.

6Хентов, В. Я. Химия окружающей среды для техн. вузов [Текст] : учеб. / В. Я. Хентов. – Ростов-н/Д : Феникс, 2005. – 144 с.

40

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………. 3

1РОЛЬ ВОДЫ НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ..………………………………. ……………… 4

1.1Источники воды на Земле……………………………………………………… 4

1.2Химический состав природных вод и процессы его формирования………… 5 2 СТРУКТУРА ВОДЫ И ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ….. 11

2.1 Внутреннее строение молекулы воды ……………………………………… 11

2.2Физические и химические свойства воды …………………………………… 15

2.3Водородная связь ………………………………………………………………. 22 3 ХИМИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ…………………………………………………….. 25

3.1Основные источники загрязнения природных вод………………………….... 25

3.2Химические показатели качества воды ..………………………………………. 29

3.2.1Активная реакция воды ………………………….………………………. 29

3.2.2Щелочность воды ……………………………….………………………… 31

3.2.3Жесткость воды……………………………………………………………. 31

3.2.4Кислотность воды ………………………………………………………. 32

3.2.5Соединения железа ………………………………………………………. 32

3.2.6Хлориды и сульфаты…………………………………………………….. 33

3.2.7Соединения азота ………………………………………………………… 33

3.2.8Окисляемость……………………………………………………………… 33 4 ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОДНЫХ СТОКОВ…………………………….. 34

4.1Методы механической очистки ...…………………………………………….. 34

4.2Физико-химические методы очистки сточных вод .………………………… 34

4.3Методы химической очистки …………………………………………………. 35

4.4Электрохимические методы очистки сточных вод ………………………….. 36

4.5Методы биологической очистки ……………………………………………… 36

Бельчинская Лариса Ивановна Ткачева Ольга Анатольевна Новикова Людмила Анатольевна Ходосова Наталия Анатольевна

Х и м и я

Методические указания для самостоятельной работы по теме «Химия и экология воды»

для студентов 1 курса всех специальностей ВГЛТА

РИО ГОУ ВПО «ВГЛТА». 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8. Отпечатано в ИП Хасанова И.Б. 394087, г. Воронеж, ул. Ломоносова, 87.