Перманганатная окисляемость воды в скважине. Пермаганатная окисляемость воды

Purolite A860 Амберлайт IRA 958Cl

Lewatit S 6328A Гранион AMP-101

Органические примеси и окисляемость

Наличие в воде органики и органических веществ определяется следующим параметром в анализе воды: перманганатная окисляемость. При привышении этого параметра выше 4-5 единиц, необходима одним из существующих методов. Видов загрязняющих воду органических примесей огромное количество. Как и другие примеси, органические примеси бывают природного и техногенного происхождения, то есть образованными в результате деятельности человека. Примером техногенной органики могут служить диоксины. Четкое разграничение между природными и техногенными органическими примесями в воде провести сложно. К природным органическим примесям относятся гуминовые кислоты, таннины, белки, жиры, аминокислоты, фульвокислоты, фенолы, высшие спирты, альдегиды, а так же соединения, выделяемые бактериями и водной растительностью. Например, сильный землистый запах в воде придают выделения актиномицетов. Водоросли выделяют в воду фенолы. Осенью, при отмирании водных организмов в поверхностные воды поступают продукты распада: фенольные соединения, сероводород, ацетон, альдегиды. Много органики поступает в воду из почвы. Все эти сложные названия органических примесей повышают такие показатели, как привкус, запах и особенно цветность в результатах анализа воды. Что же такое перманганатная окисляемость воды? Окисляемость - это общая мера, определяющая количество всех органических веществ в воде, окисляемых одним из распространенных химических окислителей. В зависимости от вида такого окислителя окисляемость может быть перманганатная или бихроматная, в первом случае используется перманганат калия, а во втором случае бихромат калия (ХПК). Для определения органических веществ при очистке воды от органики из колодцев и, в редких случаях, скважин используют перманганатную окисляемость. Для определения количества органики при очистке сточных вод используют бихроматную окисляемость или ХПК (химическое потребление кислорода). В сферу ваших интересов попадает параметр перманганатной окисляемости. Если в анализе воды он находится в пределах от 0 до 4-5 единиц, то все в порядке, если выше 4 - 5, то необходима установка очистки воды от органики на ионобменной смоле. Важно отметить, что органические загрязнения в большей степени присущи поверхностным водам, то есть колодцам и неглубоким скважинам до 15 м глубиной. Это объясняется тем, что артезианские воды защищены одним или более непроницаемыми слоями, например, глиняными, от попадания поверхностных вод, которые богаты органическими примесями. Важно так же отметить, что когда проводится обезжелезивание воды при условии наличия органики свыше 4 - 5 единиц, то такой процесс как очистка воды от железа затрудняется в связи с присутствием трудно окисляемых железо-органических комплексов.

Методы очистки воды от органики

Органические вещества или примеси могут быть удалены из воды следующими способами:

• Окислением до углекислого газа и воды;
• Извлечением на активированных углях (АУ);
• Селективным извлечением на анионитах (ионообменная смола Purolite A500P);
• Методом обратного осмоса.

Окисление осуществляется сильными химическими окислителями, такими как хлор, перманганат калия, озон и кислород. Кислород, как правило, слабо эффективен в отношении органических комплексов. В редких и сложных случаях нашей компанией применяется метод дозирования гипохлорита натрия для установки фильтра для очистки воды от органики и органического железа. Как правило, этот метод применяется, когда требуется очистка воды не только от органики, но и от железа, аммония и сероводорода, применяются напорная и безнапорная аэрации либо дозирование реагента сразу в фильтр обезжелезиватель. Разрушение остаточного активного хлора при этом происходит на картриджных угольных фильтрах типа BigBlue 20. Окисление с применением перманганата калия нашей компанией не используется в силу устаревания технологии и наличия множества нежелательных побочных эффектов. Наиболее современным методом является окисление с помощью озона. Мы располагаем достаточной технической и информационной базой для построения систем озонирования. Пока установка систем озонации не получила широкого распространения в виду высокой стоимости относительно стандартных баллонных фильтров очистки воды. Следующий метод извлечения органики из воды на активированных углях имеет ряд недостатков: во-первых, фильтры с углем требуют ежегодной перезасыпки, во-вторых, уголь является питательной средой для развития бактерий и, как следствие, способствует появлению неприятного запаха воды. Преимуществом угольных фильтров является их низкая стоимость. Чтобы произвести очистку воды от органики и органического железа современным и эффективным методом, нужно использовать специальные ионообменные смолы, например, Purolite A500P. Восстановление поглощающей способности осуществляется 10% солевым раствором NaCl, так же как и при умягчении воды. Обратноосмотический метод для очистки воды от органики из частных скважин не используется .

Теоретическая часть

Природная вода является сложной системой, в которой присутствует множество других веществ – растворенные газы (О 2 , N 2 , СО 2), соли в виде ионов Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl – , SO 4 2– , HCO 3 – и др., а также живые организмы.

Гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу и литосферу. Это связано с большой растворяющей способностью воды, с гидрологическим циклом воды в природе, а также с тем, что водоемы являются конечным пунктом на пути движения различных сточных вод.

В природную воду могут попадать отходы двух видов (рис. 2):

Природные – органические остатки природного происхождения (экскременты животных, растительные остатки и т.д.);

Антропогенные – отходы, связанные с деятельностью человека. Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической, целлюлозно-бумажной, легкой промышленности, бытовые сточные воды и т.д.

Важным показателем качества воды является количество растворенного в ней кислорода. В прямой зависимости от его содержания находится жизнь микроорганизмов (см. рис. 2) и способность вод к самоочищению. Живущие в воде аэробные бактерии с помощью кислорода окисляют органические вещества, попавшие в воду, так как они служат им пищей и удовлетворяют энергетические запросы. Органические вещества, способные окисляться в воде бактериями, называют биоразложимыми.

Процесс окисления достаточно сложен. В результате его органические загрязнители исчезают, а содержащиеся в них элементы С, Н, О, N, S, Р превращаются в окисленные формы - H 2 O , CO 2 , PO 4 3– , SO 4 2– , NO 3 – (неопасные для живых организмов вещества).

Если в воде находится большое количество загрязняющих веществ, то окислительные реакции снижают количество растворенного в воде кислорода и на смену аэробным бактериям приходят анаэробные (см. рис. 2). Анаэробные бактерии разлагают органические вещества до NH 3 , PH 3 , H 2 S и CH 4 . Продукты разложения токсичны для всех живых организмов и обладают неприятным запахом.

Количество растворенного О 2 , необходимое для окисления всех биоразложимых органических отходов в воде, называют биохимической потребностью в кислороде (БПК). Величину БПК определяют следующим образом: пробу насыщают кислородом и определяют его количество (при t = 20 0 С) непосредственно после насыщения и через 5 (или 20 суток). Разность между этими значениями соответствует БПК 5 (или БПК 20). Также определяют полное биохимической потребление кислорода - БПК ПОЛН.

Максимальная растворимость кислорода в воде при 20 0 С равна ~ 9 мг/дм 3 , а БПК ПОЛН (по стандартам качества питьевой воды) не должна превышать 3 мгО 2 / дм 3 Н 2 О. Чем больше БПК, тем сильнее загрязнена вода органическими и другими биоразложимыми веществами.

В воде появляется все больше веществ, которые не поддаются биологическому разложению (например, органические растворители) и поэтому не фиксируются показателем БПК. Также определение БПК в природной воде является сложной и трудоемкой задачей.

Поэтому пользуются более простыми косвенными методами. Для окисления загрязняющих веществ используют химические окислители – перманганат калия (KMnO 4) или бихромат калия (K 2 Cr 2 O 7), израсходованное количество которых переcчитывают на эквивалентное количество кислорода (О 2).

Соответственно различают перманганатную и бихроматную окисляемость.

Окисляемость – это условная величина, характеризующая загрязненность воды различными легко окисляющимися веществами, главным образом органического происхождения. Она показывает, сколько миллиграммов кислорода необходимо для окисления загрязнителей, содержащихся в одном литре воды (мгО 2 / дм 3 Н 2 О). В чистых родниковых и артезианских водах окисляемость обычно составляет 1,0–2,0 мгО 2 /дм 3 . В воде открытых водоемов окисляемость повышается до 6-8 мгО 2 /дм 3 H 2 O, достигая большего значения в водах болотного происхождения.

Перманганатная окисляемость является характеристикой питьевых вод, а также вод рек, защищенных от попадания каких-либо промышленных отходов.

Вода считается пригодной для хозяйственных и питьевых целей, если перманганатная окисляемость ее не превышает 5,0 мгО 2 / дм 3 Н 2 О (при t = 25 0 С).

При загрязнении вод промышленными стоками перманганатная окисляемость не отражает полного содержания органичес­ких загрязнений в воде. В этом случае определяют бихроматную окисляе­мость, которая называется химическим потреблением кислорода (ХПК).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тема работы “Определение перманганатной окисляемости воды”.

Цель работы – исследование воды на содержание в ней органических загрязнителей.

Определение основано на том, что перманганат калия (KMnO 4), являясь сильным окислителем, в кислой среде реагирует с восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты и т.д.) в соответствии с уравнением:

MnO 4 – + 8Н + + 5ē = Mn 2 + + 4H 2 O (1)

фиолетовый бесцветный

Избыток KMnO 4 , оставшийся после окисления загрязнителей, реагирует с вводимой щавелевой кислотой (Н 2 С 2 О 4) по уравнению

2MnO 4 – + 5С 2 О 4 2– + 16Н + = 2Mn 2+ + 10СО 2 + 8H 2 O (2)

Не вступившую в реакцию (2) щавелевую кислоту оттитровывают перманганатом калия (KMnO 4) по реакции 1.

Выполнение опыта

1. Отмерьте цилиндром 100 см 3 исследуемой воды (V H 2 O ИССЛ) и перенесите ее в коническую колбу ем­костью 250 см 3 .

2. Добавьте к воде 5 см 3 раствора серной кислоты H 2 SO 4 (1:2).

3. Прилейте из бюретки 20 см 3 раствора перманганата калия концентрацией 0,01 моль-экв/дм 3 . Этот объем обозначим V 1 .

4. Накройте колбу воронкой, нагрейте до кипения и кипятите в течение 10 минут. При кипячении идет процесс окисления веществ-загрязнителей по уравнению (1), в результате чего раствор светлеет.

5. Снимите колбу с нагревательного прибора и добавьте в нее 20 см 3 раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм 3 . Раствор обесцвечивается, так как щавелевая кислота реагирует с избытком KMnO 4 по уравнению (2).

6. Проведите титрование обесцвеченного горячего раствора с помощью раствора перманганата калия до появления устойчивой светло-розовой окраски.

Определите объем KMnO 4 , израсходованный на титрование, который обозначим как V 2 .

Таким образом, перманганат калия Вы использовали дважды, поэтому его общий объем V общ = V 1 + V 2 , т.к. KMnO 4 расходуется как на окисление органических загрязнителей воды, так и на окисление 20 см 3 щавелевой кислоты.

Для определения окисляемости необходимо учитывать расход перманганата калия на окисление только органических примесей воды. Поэтому отдельным опытом надо определить объем перманганата калия, необходимый для окисления 20 см 3 щавелевой кислоты.

Для этого проведите следующий эксперимент:

1. Отмерьте цилиндром 100 см 3 дистиллированной воды (V ДИС) и перенесите ее в коническую колбу емкостью 250 см 3 .

2. Добавьте к воде 5 см 3 H 2 SO 4 (1:3) и нагрейте раствор до 50-60 0 С.

3. Снимите колбу с нагревательного прибора.

4. Добавьте в колбу 20 см 3 раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм 3 и титруйте раствором перманганата калия до устойчивой светло-розовой окраски.

Определите значение объема KMnO 4 (V 3), израсходованного на титрование этого раствора.

Запись результатов опыта

Перманганат калия является сильным окислителем, поэтому концентрация его раствора изменяется со временем и ее необходимо рассчитать, используя закон эквивалентов:

Перманганатную окисляемость воды Х (мгО 2 /дм 3 H 2 O) рассчитайте по формуле:

где 8 – эквивалентная масса кислорода

В выводе дайте заключение о качестве исследуемой воды относительно содержания в ней органических загрязнителей по рассчитанному значению окисляемости.

Вопросы для самоконтроля знаний

1. Какой качественный состав имеет природная вода?

2. Назовите источники и способы загрязнения природных водоемов.

3. Дайте понятие аэробных и анаэробных бактерий и охарактеризуйте их роль в водных экосистемах.

4. Можно ли назвать процесс окисления различных веществ аэробными бактериями процессом самоочищения водных экосистем?

5. Какие изменения водных экосистем связаны с хозяйственной деятельностью человека?

6. Почему одним из критериев качества природной воды является количество растворенного в ней кислорода?

7. Введите понятия показателей качества воды БПК, БПК 5 , БПК 20 и ХПК. В чем их различие?

8. Что такое окисляемость? Что показывает величина окисляемости?

9. В чем сущность метода перманганатной окисляемости и для определения качества какой воды его используют?

Работа № 5

Кислотные осадки

Теоретическая часть

Одной из экологических проблем является повышение кислотности окружающей среды.

Основными источниками кислотных осадков являются соединения серы и азота. Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды. Одни из них используются как топливо, другие направляют на предприятия химической и металлургической промышленности с целью их переработки. При обжиге металлических руд и сжигании ископаемого топлива сера окисляется с образованием оксидов серы SO 2 и SO 3 , которые, соединяясь с парами воды, находящимися в атмосфере, образуют кислоты – сернистую и серную:

SO 2 + Н 2 O ® Н 2 SO 3 ,

SO 3 + Н 2 O ® Н 2 SO 4

Природным источником серосодержащих соединений является извержение вулканов. При извержении вулканов преобладает диоксид серы (SO 2), в меньшем количестве в атмосферу поступает сероводород (Н 2 S), а также сульфаты в виде аэрозолей и твердых частиц. Ежегодно во всем мире в результате вулканической деятельности выделяется 4-16 млн. т. соединений серы (в пересчете на SO 2).

Основным источником соединений азота является процесс сжигания топлива. Так, например, в выхлопных газах автомобильного транспорта содержится 93% монооксида азота (NO), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в диоксид азота (NO 2), образующего с водой азотистую и азотную кислоты.

2NO 2 + Н 2 O ® НNO 3 + НNO 2

3HNO 2 ® HNO 3 + 2NO + H 2 O

Природные источники азота – это деятельность почвенных бактерий, лесные пожары, грозовые разряды и молнии.

Основными компонентами кислотных осадков являются серная и азотная кислоты.

Количественной характеристикой кислотности среды является водородный показатель рН – логарифм концентрации ионов водорода (моль/дм 3), взятый с обратным знаком, рН = – lg .

В кислой среде 0<рН< 7, в щелочной - 7< рН< 14, в нейтральной – рН=7.

Чистая дождевая вода имеет слабокислую среду вследствие растворения в ней диоксида углерода СO 2:

2СO 2 + Н 2 O « Н 2 СO 3 « H + + НСO 3 – ,

и ее рН ≈ 5,5 - 5,6. Осадки, рН которых меньше, чем 5,5, называются кислотными .

Кислотные осадки наносят экологический, экономический и эстетический ущерб.

В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, снижается продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры.

Кислотные осадки растворяют тяжелые металлы и их соединения, находящиеся в почве, в результате чего они усваиваются растениями и передаются по пищевым цепям от уровня к уровню. Попадание в организм соединений тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия, меди и др.) может привести к различным патологическим изменениям. В частности, они нарушают структуру белков и их функции.

Учеными доказана токсичность алюминия, оказывающего негативное влияние на растения, животных и человека. Алюминий – составной элемент глинистых почв, при средних значениях кислотности он находится в малорастворимых нетоксичных формах. При повышении кислотности почвы происходит растворение соединений алюминия, образуются токсичные соединения, которые разрушают корневую систему, нарушается процесс питания.

Изменение рН влечет глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Многие организмы вымирают из-за невозможности размножения в кислой среде. При рН равном 6,0 –5,0 гибнут сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, окунь, щука. При рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки медленно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Существует опасность полной утраты произведений искусства в ближайшие 15-20 лет.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тема работы “Кислотные осадки”.

Цель работы – определение значения рН атмосферных осадков и изучение влияния кислотных осадков на живые организмы и архитектурные сооружения.

Расшифровка показателей анализа воды

После завершения исследования заказчик получает на руки «Протокол исследования воды». В приведённой ниже статье вкратце дана информация о каждом параметре, но, если вы хотите узнать больше, приходите, наши технологи ответят на все ваши вопросы.

Водородный показатель (pH) (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, в пределах 6 - 9 единиц pH)

Водородный показатель воды (pH) — это кислотно-щелочной баланс воды, который определяется концентрацией водородных ионов. Обычно выражается через рН - отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. При рН = 7,0 реакция воды нейтральная, при рН<7,0 среда кислая, при рН>7,0 среда щелочная.

Питьевая вода централизованного водоснабжения и вода из природных источников демонстрируют различный диапазон рН, поскольку она содержит растворенные минералы и газы.

По нормам СанПиН 2.1.4.559-96 рН питьевой воды должен быть в пределах 6,0…9,0

Окисляемость перманганатная (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 5,0 мг О/дм3)

Окисляемость - это величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых перманганатом калия при определенных условиях.

Органические вещества, находящиеся в воде весьма разнообразны по своей природе и химическим свойствам. Их состав формируется как под влиянием внутри водоёмных биохимических процессов, так и за счет поступления поверхностных и подземных вод, атмосферных осадков, промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод.

Повышенной перманганатной окисляемостью отличаются воды в районах нефтегазовых месторождений, торфяников, в сильно заболоченных местностях.

Таким образом о степени органического загрязнения воды можно судить по величине окисляемости воды. Высокая окисляемость или резкие колебания ее (вне сезона) могут указывать на постоянное поступление органических загрязнений в водоем.

Окисляемость природных вод, особенно поверхностных, не является постоянной величиной. Повышенная окисляемость воды свидетельствует о загрязнении источника. Внезапное повышение окисляемости воды служит признаком загрязнения ее бытовыми стоками; поэтому величина окисляемости — важная гигиеническая характеристика воды.

Железо общее (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 0,3 мг/дм3)

Железо может встречаться в природных водах в следующих видах:

Истинно растворённом виде (двухвалентное железо, прозрачная бесцветная вода)

Нерастворённом виде (трёхвалентное железо, прозрачная вода с коричневато-бурым осадком или ярко выраженными хлопьями);
- Коллоидном состоянии или тонкодисперсной взвеси (окрашенная желтовато-коричневая опалесцирующая вода, осадок не выпадает даже при длительном отстаивании);
- Железоорганика - соли железа и гуминовых и фульвокислот (прозрачная желтовато-коричневая вода).

Повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот - гуматами.

Железобактерии (коричневая слизь на водопроводных трубах);

Содержащая железо вода (особенно подземная) изначально прозрачная и чистая на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,3 мг/дм3 такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/дм3 вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения.

В небольших количествах железо необходимо организму человека - оно входит в состав гемоглобина и придает крови красный цвет.

Но слишком высокие концентрации железа в воде для человека вредны. Содержание железа в воде выше 1-2 мг/дм3 значительно ухудшает органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус. Железо увеличивает показатели цветности и мутности воды.

Переизбыток железа приводит к зуду, сухости и высыпаниям на коже; повышается вероятность развития аллергических реакций, возникновение язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, заболевания сосудов и сердечно-сосудистой системы в целом.

Нитрат - ион (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 45 мг/дм3)

Нитраты - это соли азотной кислоты. В воде эти соли легко распадаются на ионы и существуют в "свободной" форме: в виде нитрат-ионов

Нитраты находятся в почве, воде и растениях. Большая часть нитратов в окружающей среде образуется от разложения растений и животных отходов. Люди также используют нитраты в виде удобрений.

Сами по себе нитраты не опасные, но в организме они превращаются в нитриты, а те, в свою очередь, взаимодействуют с гемоглобином, образуя стойкое соединение - метгемоглобин. Как известно, гемоглобин переносит кислород, а вот метгемоглобин такой способностью не обладает. В итоге ткани начинают испытывать кислородное голодание, развивается заболевание - нитратная метгемоглобинемия.

При длительном употреблении питьевой воды и пищевых продуктов, содержащих значительные количества нитратов (от 45 мг/дм3 и выше по азоту), резко возрастает концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают метгемоглобинемии у грудных детей (прежде всего, искусственно вскармливаемых молочными смесями, приготовленными на воде с повышенным порядка 200 мг/дм3 содержанием нитратов) и у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Следует знать, что нитраты не удалятся из воды путем кипячения, фактически термическая обработка концентрирует нитрат, за счет испарения воды.

Марганец (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 0,1 мг/дм3)

Марганец является верным спутником растворенного двухвалентного железа. Если его много, то воду от него необходимо очищать, т.к. вода делается непригодной для питья, а также бытового и промышленного использования.

При превышении норм содержания марганца органолептические свойства воды ухудшаются. Избыток марганца вызывает окраску и вяжущий привкус.

Переизбыток марганца может грозить заболеваниями печени, почек, тонкого кишечника, костей, желез внутренней секреции и головного мозга, оказывает токсический и мутагенный эффект на организм человека.

Повышенное содержание марганца и железа является одной из причин неприятного вкуса и запаха воды, ее цветности и мутности. Окислы этих металлов оставляют несмываемые пятна на сантехническом оборудовании и санитарном фаянсе, а ржавчина может является основной причиной выхода из строя бытовой техники.

Мутность (по каолину) (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 1,5 мг/дм3)

Мутность (прозрачность, содержание взвешенных веществ) характеризует наличие в воде частиц песка, глины, илистых частиц, планктона, водорослей и других механических примесей, которые попадают в нее в результате размыва дна и берегов реки, с дождевыми и талами водами, со сточными водами и т.п. Мутность воды подземных источников, как правило, невелика и обуславливается взвесью гидроксида железа. В поверхностных водах мутность чаще обусловлена присутствием фито- и зоопланктона, глинистых или илистых частиц, поэтому величина зависит от времени паводка (межени) и меняется в течение года.

Мутность влияет на внешний вид воды. Кроме того, она мешает дезинфекции,

т.к. создает не только благоприятную среду для развития бактерий, но и своеобразный

барьер при проведении процедуры обеззараживания.

Цветность воды (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 20 градусов).

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений; выражается в градусах платинокобальтовой шкалы.

Цветность подземных вод вызывается соединениями железа, реже - гумусовыми веществами (грунтовка, торфяники, мерзлотные воды); цветность поверхностных - цветением водоемов.

Количество этих веществ зависит от геологических условий, водоносных горизонтов, характера почв, наличия болот и торфяников в бассейне реки и т.п. Сточные воды некоторых предприятий также могут создавать довольно интенсивную окраску воды.

Высокая цветность воды ухудшает ее органолептические свойства

Запах

Вода может иметь определенный, не всегда приятный, запах, который приобретает из-за содержащихся в ней различных органических веществ, представляющих собой продукты жизнедеятельности или распада микроорганизмов и водорослей, а также присутствием в воде растворенных газов - хлора, аммиака, сероводорода, меркаптанов или органических и хлорорганических загрязнений.

Различают природные запахи: ароматический, болотный, гнилостный, древесный, землистый, плесневый, рыбный, травянистый, неопределённый и сероводородный.

Запахи искусственного происхождения называют по определяющим их веществам: фенольный, хлор фенольный, нефтяной, смолистый и так далее.

Интенсивность запаха измеряется органолептически по пятибалльной шкале:
0 баллов - запах и привкус не обнаруживается
1 балл - очень слабые запах или привкус (обнаруживает только опытный исследователь)
2 балла - слабые запах или привкус, привлекающие внимание неспециалиста
3 балла - заметные запах или привкус, легко обнаруживаемые и являющиеся причиной жалоб
4 балла - отчётливые запах или привкус, которые могут заставить воздержаться от употребления воды
5 баллов - настолько сильные запах или привкус, что вода для питья совершенно непригодна.

Вкус (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 2 баллов).

Вкус воды различается по характеру и интенсивности, определяется наличием в воде растворенных веществ.

Существует 4 основных вида вкуса: горький, сладкий, соленый, кислый. Другие ощущения вкусовые называются привкусами (щелочной, металлический, вяжущий и т.п.).

Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20оС и оценивают по пятибалльной системе:

0 баллов - Вкус и привкус не ощущаются

1 балл - Вкус и привкус не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при лабораторном исследовании

2 балла - Вкус и привкус замечаются потребителем, если обратить на это его внимание

3 балла - Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительный отзыв о воде

4 балла - Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья

5 баллов - Вкус и привкус настолько сильные, что делают воду непригодной к употреблению

Кремнекислота (в пересчёте на кремний) (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 10 мг/дм3)

Кремний в воде находится не в чистом виде, а в форме различных соединений, которые при нагревании воды могут образовывать белёсую плёнку на поверхности воды и рыхлые хлопья, т.е. соединения кремния являются источником образования силикатных накипей, поэтому в случае подготовки питьевой воды для промышленного сектора, для питательной воды паровых котлов очистка воды от кремния является обязательной.

В то же время кремний является для человека незаменимым микроэлементом; его можно обнаружить и в крови, и в мышечной и костной ткани. По сути, он является строительным материалом, необходимым для образования и роста соединительной ткани человеческого организма (суставов, костей, кожи и т.д.). Также он помогает усвоению поступивших в организм минеральных элементов, способствует улучшению обмена веществ и транспортировке сигналов по нервным волокнам.

Кремний попадает в организм человека вместе с пищей и водой, причем этот элемент легче усваивается именно из жидкости.

Зарубежными руководящими документами (директивы ВОЗ, USEPA, ЕС) содержание кремния в питьевой воде не нормируется. Это вызвано отсутствием данных о токсичности данного элемента и его негативном влиянии на организм человека.

Жесткость общая (Норматив качества по СанПин 2.1.4107401, не более 7,0 мг-экв/л)

Жесткость воды - содержание в ней растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью.

Общая жесткость воды подразделяется на карбонатную, обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при рН 8,3) кальция и магния, и некарбонатную - концентрацию в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот.

Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты и выпадают в осадок, карбонатную жесткость называют временной или устранимой.

Остающаяся после кипячения жесткость называется постоянной. Результаты определения жесткости воды выражают в мг-экв/дм3 (в настоящее время чаще применяют градусы жесткости оЖ численно равные мг-экв/дм3). Временная или карбонатная жесткость может доходить до 70-80% общей жесткости воды.

Жесткость воды формируется в результате растворения горных пород, содержащих кальций и магний. Преобладает кальциевая жесткость, обусловленная растворением известняка и мела, однако в районах, где больше доломита, чем известняка, может преобладать и магниевая жесткость.

В зависимости от жёсткости вода бывает:

Очень мягкая вода до 1,5 мг-экв/л

Мягкая вода от 1,5 до 4 мг-экв/л

Вода средней жесткости от 4 до 8 мг-экв/л

Жесткая вода от 8 до 12 мг-экв/л

Очень жесткая вода более 12 мг-экв/л

Жесткая вода просто неприятна на вкус, в ней излишне много кальция. Постоянное употребление внутрь воды с повышенной жесткостью приводит к снижению моторики желудка, к накоплению солей в организме, и, в конечном итоге, к заболеванию суставов (артриты, полиартриты) и образованию камней в почках и желчных путях.

Очень мягкая вода не менее опасная, чем излишне жесткая. Самая активная - это мягкая вода. Мягкая вода способна вымывать из костей кальций. У человека может развиться рахит, если пить такую воду с детства, у взрослого человека становятся ломкие кости. Есть еще одно отрицательное свойство мягкой воды. Она, проходя через пищеварительный тракт, не только вымывает минеральные вещества, но и полезные органические вещества, в том числе и полезные бактерии. Вода должна быть жесткостью не менее 1,5-2 мг-экв/л.

Использование воды с большой жесткостью для хозяйственных целей также нежелательно. Жесткая вода образует налет на сантехнических приборах и арматуре, образует накипные отложения в водонагревательных системах и приборах. В первом приближении это заметно на стенках, например, чайника.

При хозяйственно-бытовом использовании жесткой воды значительно увеличивается расход моющих средств и мыла вследствие образования осадка кальциевых и магниевых солей жирных кислот, замедляется процесс приготовления пищи (мяса, овощей и др.), что нежелательно в пищевой промышленности.

В системах водоснабжения - жесткая вода приводит к быстрому износу водонагревательной технике (бойлеров, батарей центрального водоснабжения и др.). Соли жесткости (гидрокарбонаты Ca и Mg), отлагаясь на внутренних стенках труб, и образуя накипные отложения в водонагревательных и охлаждающих системах, приводят к занижению проходного сечения, уменьшают теплоотдачу. Не допускается использовать воду с высокой карбонатной жесткостью в системах оборотного водоснабжения.

Сдать воду на химический анализ

Химическое обозначение: перманганатная окисляемость (ПО).

Синонимы: окисляемость.

Описание: интегральный показатель, который характеризует содержание в воде восстановителей (например железа (II)) и органических веществ, которые полностью или частично окисляются ионом перманганата в условиях кислой или щелочной среды и при нагревании. Перманганатная окисляемость выражается в мг кислорода на 1 литр воды, что условно можно интерпретировать как количество кислорода, которое требуется для окисления веществ в воде.

Методы определения: обратное титрование.

Методики, используемые в Испытательном центре МГУ для определения перманганатной окисляемости в природных средах

Распространённость: иперманганатная окисляемость обусловлена наличием в воде большой группы веществ и элементов. При этом нужно помнить, что перманганат - не самый сильный окислитель, поэтому часть органического вещества может быть не учтена. Вклад в этот параметр вносят не только соединения, опасные для здоровья, но также полезные или нейтральные, например:

• глюкоза или сахароза;
• аскорбиновая кислота (витамин C);
• полисахариды.

Нормирование

Обнаружение значений окисляемости, превышающих предельно допустимые, само по себе не даёт информации о составе воды, но даёт повод провести расширенные исследования для выявления причины превышения. К опасным веществам, вызывающим превышения окисляемости, относятся:

• ПАВ (моющие средства);
• продукты жизнедеятельности организмов;
• канцерогены;
• органические кислоты.

Перманганатная окисляемость нормируется только в питьевой воде, аналогичный параметр для природных вод водоемов и сточных вод - При его определении использую более сильный окислитель бихромат и агрессивные условия.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) перманганатной окисляемости в различных водных объектах

Польза и вред

Поскольку перманганатная окисляемость - интегральный параметр, сам по себе он не несёт вреда или пользы для здоровья человека. Его основная задача - предоставление возможности оперативно заметить отклонения от нормы и провести развернутый анализ группы органических веществ и восстановителей или принять решение об установке фильтров. Также этот показатель помогает оперативно контролировать качество водопроводной и и соблюдение правил технологических процессов.

Методы очистки воды

Ионный обмен. Используется, как правило, в сочетании с ионным обменом для других компонентов в воде, например железа: органические вещества способны образовывать хорошо растворимые комплексные соединения с железом. Это усложняет процедуру обезжелезивания. В таких случаях используют смеси ионообменных смол, которые сорбируют и органические вещества, и железо.

Дозирование окислителей. Эффективно показатель перманганатной окисляемости снижает добавление в воду окислительных агентов: к ним относятся гипохлорит (часто применяется для дезинфекции и защиты от микробиологического загрязнения воды), перекись водорода и др. Также помогает озонирование воды. Такой подход может применяться для решения комплекса проблем - обеззараживания и снижения содержания органического вещества.

Не все окислительные агенты безопасны для здоровья даже в остаточных количествах. Перед применением убедитесь, что вещество не нанесет вред вашему организму.

Угольные фильтры. Угольные фильтры обладают средней эффективностью фильтрации в отношении органических веществ. Они наиболее эффективны в сочетании с предварительным дозированием окислителей.

Обратный осмос. Вместе с другими веществами обратный осмос убирает из воды органику, поэтому он может применяться для снижения как самой перманганатной окисляемости как сам по себе, так и в сочетании с другими методами очистки.

Перманганатная окисляемость характеризует суммарное количество органических веществ, которых должно содержаться как можно меньше в питьевой воде. Повышенные значения этого параметра говорят о необходимости проведения более расширенных исследований и поиска источника загрязнения. Причиной превышения в колодезной воде может быть ее загрязнение (рекомендуется чистка), в воде из скважины - подмес грунтовых вод и выход из строя гидроизоляции, в водопроводе - некачественные коммуникации или сбой в системе фильтрации водоканала.

Теоретическая часть

Природная вода является сложной системой, в которой присутствует множество других веществ – растворенные газы (О 2 , N 2 , СО 2), соли в виде ионов Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl – , SO 4 2– , HCO 3 – и др., а также живые организмы.

Гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу и литосферу. Это связано с большой растворяющей способностью воды, с гидрологическим циклом воды в природе, а также с тем, что водоемы являются конечным пунктом на пути движения различных сточных вод.

В природную воду могут попадать отходы двух видов (рис. 2):

Природные – органические остатки природного происхождения (экскременты животных, растительные остатки и т.д.);

Антропогенные – отходы, связанные с деятельностью человека. Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической, целлюлозно-бумажной, легкой промышленности, бытовые сточные воды и т.д.

Важным показателем качества воды является количество растворенного в ней кислорода. В прямой зависимости от его содержания находится жизнь микроорганизмов (см. рис. 2) и способность вод к самоочищению. Живущие в воде аэробные бактерии с помощью кислорода окисляют органические вещества, попавшие в воду, так как они служат им пищей и удовлетворяют энергетические запросы. Органические вещества, способные окисляться в воде бактериями, называют биоразложимыми.

Процесс окисления достаточно сложен. В результате его органические загрязнители исчезают, а содержащиеся в них элементы С, Н, О, N, S, Р превращаются в окисленные формы - H 2 O , CO 2 , PO 4 3– , SO 4 2– , NO 3 – (неопасные для живых организмов вещества).

Если в воде находится большое количество загрязняющих веществ, то окислительные реакции снижают количество растворенного в воде кислорода и на смену аэробным бактериям приходят анаэробные (см. рис. 2). Анаэробные бактерии разлагают органические вещества до NH 3 , PH 3 , H 2 S и CH 4 . Продукты разложения токсичны для всех живых организмов и обладают неприятным запахом.

Количество растворенного О 2 , необходимое для окисления всех биоразложимых органических отходов в воде, называют биохимической потребностью в кислороде (БПК). Величину БПК определяют следующим образом: пробу насыщают кислородом и определяют его количество (при t = 20 0 С) непосредственно после насыщения и через 5 (или 20 суток). Разность между этими значениями соответствует БПК 5 (или БПК 20). Также определяют полное биохимической потребление кислорода - БПК ПОЛН.

Максимальная растворимость кислорода в воде при 20 0 С равна ~ 9 мг/дм 3 , а БПК ПОЛН (по стандартам качества питьевой воды) не должна превышать 3 мгО 2 / дм 3 Н 2 О. Чем больше БПК, тем сильнее загрязнена вода органическими и другими биоразложимыми веществами.

В воде появляется все больше веществ, которые не поддаются биологическому разложению (например, органические растворители) и поэтому не фиксируются показателем БПК. Также определение БПК в природной воде является сложной и трудоемкой задачей.

Поэтому пользуются более простыми косвенными методами. Для окисления загрязняющих веществ используют химические окислители – перманганат калия (KMnO 4) или бихромат калия (K 2 Cr 2 O 7), израсходованное количество которых переcчитывают на эквивалентное количество кислорода (О 2).

Соответственно различают перманганатную и бихроматную окисляемость.

Окисляемость – это условная величина, характеризующая загрязненность воды различными легко окисляющимися веществами, главным образом органического происхождения. Она показывает, сколько миллиграммов кислорода необходимо для окисления загрязнителей, содержащихся в одном литре воды (мгО 2 / дм 3 Н 2 О). В чистых родниковых и артезианских водах окисляемость обычно составляет 1,0–2,0 мгО 2 /дм 3 . В воде открытых водоемов окисляемость повышается до 6-8 мгО 2 /дм 3 H 2 O, достигая большего значения в водах болотного происхождения.

Перманганатная окисляемость является характеристикой питьевых вод, а также вод рек, защищенных от попадания каких-либо промышленных отходов.

Вода считается пригодной для хозяйственных и питьевых целей, если перманганатная окисляемость ее не превышает 5,0 мгО 2 / дм 3 Н 2 О (при t = 25 0 С).

При загрязнении вод промышленными стоками перманганатная окисляемость не отражает полного содержания органичес­ких загрязнений в воде. В этом случае определяют бихроматную окисляе­мость, которая называется химическим потреблением кислорода (ХПК).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тема работы “Определение перманганатной окисляемости воды”.

Цель работы – исследование воды на содержание в ней органических загрязнителей.

Определение основано на том, что перманганат калия (KMnO 4), являясь сильным окислителем, в кислой среде реагирует с восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты и т.д.) в соответствии с уравнением:

MnO 4 – + 8Н + + 5ē = Mn 2 + + 4H 2 O (1)

фиолетовый бесцветный

Избыток KMnO 4 , оставшийся после окисления загрязнителей, реагирует с вводимой щавелевой кислотой (Н 2 С 2 О 4) по уравнению

2MnO 4 – + 5С 2 О 4 2– + 16Н + = 2Mn 2+ + 10СО 2 + 8H 2 O (2)

Не вступившую в реакцию (2) щавелевую кислоту оттитровывают перманганатом калия (KMnO 4) по реакции 1.

Выполнение опыта

1. Отмерьте цилиндром 100 см 3 исследуемой воды (V H 2 O ИССЛ) и перенесите ее в коническую колбу ем­костью 250 см 3 .

2. Добавьте к воде 5 см 3 раствора серной кислоты H 2 SO 4 (1:2).

3. Прилейте из бюретки 20 см 3 раствора перманганата калия концентрацией 0,01 моль-экв/дм 3 . Этот объем обозначим V 1 .

4. Накройте колбу воронкой, нагрейте до кипения и кипятите в течение 10 минут. При кипячении идет процесс окисления веществ-загрязнителей по уравнению (1), в результате чего раствор светлеет.

5. Снимите колбу с нагревательного прибора и добавьте в нее 20 см 3 раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм 3 . Раствор обесцвечивается, так как щавелевая кислота реагирует с избытком KMnO 4 по уравнению (2).

6. Проведите титрование обесцвеченного горячего раствора с помощью раствора перманганата калия до появления устойчивой светло-розовой окраски.

Определите объем KMnO 4 , израсходованный на титрование, который обозначим как V 2 .

Таким образом, перманганат калия Вы использовали дважды, поэтому его общий объем V общ = V 1 + V 2 , т.к. KMnO 4 расходуется как на окисление органических загрязнителей воды, так и на окисление 20 см 3 щавелевой кислоты.

Для определения окисляемости необходимо учитывать расход перманганата калия на окисление только органических примесей воды. Поэтому отдельным опытом надо определить объем перманганата калия, необходимый для окисления 20 см 3 щавелевой кислоты.

Для этого проведите следующий эксперимент:

1. Отмерьте цилиндром 100 см 3 дистиллированной воды (V ДИС) и перенесите ее в коническую колбу емкостью 250 см 3 .

2. Добавьте к воде 5 см 3 H 2 SO 4 (1:3) и нагрейте раствор до 50-60 0 С.

3. Снимите колбу с нагревательного прибора.

4. Добавьте в колбу 20 см 3 раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм 3 и титруйте раствором перманганата калия до устойчивой светло-розовой окраски.

Определите значение объема KMnO 4 (V 3), израсходованного на титрование этого раствора.

Запись результатов опыта

Перманганат калия является сильным окислителем, поэтому концентрация его раствора изменяется со временем и ее необходимо рассчитать, используя закон эквивалентов:

Перманганатную окисляемость воды Х (мгО 2 /дм 3 H 2 O) рассчитайте по формуле:

где 8 – эквивалентная масса кислорода

В выводе дайте заключение о качестве исследуемой воды относительно содержания в ней органических загрязнителей по рассчитанному значению окисляемости.

Вопросы для самоконтроля знаний

1. Какой качественный состав имеет природная вода?

2. Назовите источники и способы загрязнения природных водоемов.

3. Дайте понятие аэробных и анаэробных бактерий и охарактеризуйте их роль в водных экосистемах.

4. Можно ли назвать процесс окисления различных веществ аэробными бактериями процессом самоочищения водных экосистем?

5. Какие изменения водных экосистем связаны с хозяйственной деятельностью человека?

6. Почему одним из критериев качества природной воды является количество растворенного в ней кислорода?

7. Введите понятия показателей качества воды БПК, БПК 5 , БПК 20 и ХПК. В чем их различие?

8. Что такое окисляемость? Что показывает величина окисляемости?

9. В чем сущность метода перманганатной окисляемости и для определения качества какой воды его используют?

Работа № 5

Кислотные осадки

Теоретическая часть

Одной из экологических проблем является повышение кислотности окружающей среды.

Основными источниками кислотных осадков являются соединения серы и азота. Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды. Одни из них используются как топливо, другие направляют на предприятия химической и металлургической промышленности с целью их переработки. При обжиге металлических руд и сжигании ископаемого топлива сера окисляется с образованием оксидов серы SO 2 и SO 3 , которые, соединяясь с парами воды, находящимися в атмосфере, образуют кислоты – сернистую и серную:

SO 2 + Н 2 O ® Н 2 SO 3 ,

SO 3 + Н 2 O ® Н 2 SO 4

Природным источником серосодержащих соединений является извержение вулканов. При извержении вулканов преобладает диоксид серы (SO 2), в меньшем количестве в атмосферу поступает сероводород (Н 2 S), а также сульфаты в виде аэрозолей и твердых частиц. Ежегодно во всем мире в результате вулканической деятельности выделяется 4-16 млн. т. соединений серы (в пересчете на SO 2).

Основным источником соединений азота является процесс сжигания топлива. Так, например, в выхлопных газах автомобильного транспорта содержится 93% монооксида азота (NO), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в диоксид азота (NO 2), образующего с водой азотистую и азотную кислоты.

2NO 2 + Н 2 O ® НNO 3 + НNO 2

3HNO 2 ® HNO 3 + 2NO + H 2 O

Природные источники азота – это деятельность почвенных бактерий, лесные пожары, грозовые разряды и молнии.

Основными компонентами кислотных осадков являются серная и азотная кислоты.

Количественной характеристикой кислотности среды является водородный показатель рН – логарифм концентрации ионов водорода (моль/дм 3), взятый с обратным знаком, рН = – lg .

В кислой среде 0<рН< 7, в щелочной - 7< рН< 14, в нейтральной – рН=7.

Чистая дождевая вода имеет слабокислую среду вследствие растворения в ней диоксида углерода СO 2:

2СO 2 + Н 2 O « Н 2 СO 3 « H + + НСO 3 – ,

и ее рН ≈ 5,5 - 5,6. Осадки, рН которых меньше, чем 5,5, называются кислотными .

Кислотные осадки наносят экологический, экономический и эстетический ущерб.

В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, снижается продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры.

Кислотные осадки растворяют тяжелые металлы и их соединения, находящиеся в почве, в результате чего они усваиваются растениями и передаются по пищевым цепям от уровня к уровню. Попадание в организм соединений тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия, меди и др.) может привести к различным патологическим изменениям. В частности, они нарушают структуру белков и их функции.

Учеными доказана токсичность алюминия, оказывающего негативное влияние на растения, животных и человека. Алюминий – составной элемент глинистых почв, при средних значениях кислотности он находится в малорастворимых нетоксичных формах. При повышении кислотности почвы происходит растворение соединений алюминия, образуются токсичные соединения, которые разрушают корневую систему, нарушается процесс питания.

Изменение рН влечет глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Многие организмы вымирают из-за невозможности размножения в кислой среде. При рН равном 6,0 –5,0 гибнут сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, окунь, щука. При рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки медленно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Существует опасность полной утраты произведений искусства в ближайшие 15-20 лет.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тема работы “Кислотные осадки”.

Цель работы – определение значения рН атмосферных осадков и изучение влияния кислотных осадков на живые организмы и архитектурные сооружения.