И сточных вод

Цель работы – дать общую оценку качества воды (степени ее загрязнения) по перманганатной и бихроматной окисляемости.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общую оценку загрязненности воды, как природной, так и сточной, можно достаточно быстро получить по ее окисляемости (ХПК – химическая потребность в кислороде). Под окисляемостью понимают количество кислорода, необходимое для окисления примесей, содержащихся в одном литре (дм³) исследуемой воды (мг О₂/л). Окисляемость может быть общей, т.е. показывать количество всех веществ в воде, органических и минеральных, или «окисляемость с поправкой», если определяется содержание только органических веществ. На практике при анализе воды в качестве окислителя используют не кислород, а растворы таких сильных окислителей как перманганат калия () или бихромат калия (). Для удобства использования полученных результатов их пересчитывают и представляют в виде количества кислорода эквивалентного израсходованному окислителю. В зависимости от применяемого окислителя различают окисляемость перманганатную, бихроматную и др. Выбор метода определения зависит от количества загрязнений в воде и от их природы (органические или минеральные). Так для анализа питьевой воды и слабо загрязненных поверхностных вод (окисляемость которых не выше 100 мг О₂/л) применяют перманганатный метод. Для определения общей окисляемости сильно загрязненных и сточных вод (окисляемость 100 и более мг О₂/л) используют бихроматный метод.

Происхождение и содержание органических веществ, находящихся в природных водах, весьма разнообразны. Различны и их химические свойства по отношению к кислороду: одни вещества устойчивы к окислению, другие, наоборот, легко окисляются. Прямое определение органических веществ в природных водах является сложной и трудоемкой задачей. Поэтому пользуются более простыми косвенными методами. Метод перманганатной окисляемости дает представление о содержании в воде легко окисляющихся органических веществ. Метод бихроматной окисляемости соответствует полному окислению органических веществ (легко и трудно окисляющихся), за исключением некоторых белковых соединений. Обычно перманганатная окисляемость составляет 40–50 % от истинной окисляемости органических веществ, то есть полного окисления органического углерода до СО₂.

Повышенная окисляемость может указывать на загрязнение воды. Наименьшую окисляемость (до 1–2 мг/л О₂ ) имеют глубокие подземные воды, относящиеся к 1-му классу. Окисляемость подземных вод, относящихся ко 2-му и 3-му классам, может быть повышена, но не более 5 и 15 мг/л О₂соответственно. В грунтовых водах окисляемость обычно выше (до 2–4 мг/л), причем тем больше, чем выше цветность воды. Поэтому высокая окисляемость при небольшой цветности вероятнее указывает на загрязнение воды. В воде открытых водоемов окисляемость повышается до 5–6 мг/л в реках идо 6–8 мг/л в водохранилищах, достигая еще больших величин в водах болотного происхождения. Вода считается пригодной для хозяйственных и питьевых целей, если перманганатная окисляемость ее не превышает 3,0 мг/л О₂. Установлено, что с повышением содержания в воде органических веществ увеличивается и ее бактериальное загрязнение.

Необходимо помнить, что при определении окисляемости воды, как перманганатной, так и бихроматной, аналитик получает условные сведения о качестве воды, указывающие лишь на химическую природу загрязнителей и их косвенное количество по израсходованному окислителю. Конкретного ответа о качественном составе загрязнителей, присутствующих в воде, окисляемость не дает. В то же время это всегда и необходимо. Так для определения оценки качества воды для различных категорий водопользования окисляемость является важнейшим показателем, т.к. дает возможность очень быстро получить ответ об общем состоянии воды в исследуемом объекте.

1.1. Перманганатная окисляемость (метод Кубеля)

Метод основан на окислении органических веществ, присутствующих в воде, 0,01н раствором перманганата калия в сернокислой среде при кипячении. Этим методом можно определить окисляемость в диапазоне от 0 до 100 мг О₂/л, без разбавления. Максимальная определяемая окисляемость 10 мг О₂/л.

Определение перманганатной окисляемости основано на том, что КМnО₄в кислой среде являясь сильным окислителем, реагирует с присутствующими в воде восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты). Ион МnО^- ₄ принимает при этом 5 электронов и переходит в двухвалентный катион Мn²⁺по уравнению:

Избыток КМnО ₄ реагирует с вводимой в раствор щавелевой кислотой:

Не вступившая в реакцию щавелевая кислота оттитровывается КМnО₄по приведенному уравнению.

Определению мешают неорганические соединения (хлориды, сульфиды, нитриты, железо (II), которые могут окисляться в условиях анализа. Если они присутствуют в анализируемой воде, их кол-во необходимо определить отдельно и вычесть результат, пересчитанный на окисляемость, из окисляемости пробы воды. 1 мг H₂SO₄ соответствует 0,47 мг О₂; 1 мг NO₂ – 0,35 мг О₂; 1 мг Fe⁺²– 0,14 мг O₂.

1.2. Бихроматная окисляемость

В сернокислой среде с помощью бихромата калия в присутствии солей серебра (в качестве катализатора) окисляется большинство органических веществ и часть минеральных. Поэтому бихроматную окисляемость называют «общая окисляемость» или «полная окисляемость». Определению мешают хлориды, влияние которых можно исключить добавлением в пробу сульфата ртути (II).

Если необходимо определить содержание только органических веществ в пробе, то необходимо с помощью других известных методов определить в ней содержание минеральных веществ, а затем эту величину (ее кислородный эквивалент) вычесть из общей окисляемости.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Определение степени загрязнения воды

перманганатным методом Кубеля (питьевая вода)

Анализируемая вода должна отстояться в течение 2 часов для выделения нерастворимых примесей. Затем отбирают 100 мл пробы и помещают в коническую колбу объемом 250 мл. Для создания кислой среды приливают 5 мл разбавленной (1:3) серной кислоты, а в качестве окислителя – 10 мл 0,01 н раствора перманганата калия. В колбу опускают стеклянный шарик, накрывают воронкой и ставят на плитку. Смесь должна закипеть через 5 мин, продолжительность кипения 10 мин. При кипении раствора внимательно следят за его окраской. Если розовое окрашивание перейдет в бурое или раствор обесцветится, это свидетельствует о недостатке окислителя. В таком случае анализ данной пробы прекращается и повторяется сначала, но уже с разбавленной пробой. Если в процессе кипения цвет раствора остается розовым, то по истечении 10 мин колбу снимают с плитки, убирают прикрывающую ее воронку и прибавляют 10 мл 0,01 н раствора щавелевой кислоты. Горячую обесцвеченную смесь титруют 0,01 н раствором перманганата калия до появления слабо розового окрашивания. Следует учитывать, что для получения точных результатов необходимо, чтобы при титровании концентрированных проб расходовалось не более 12 мл 0,01 н раствора , а в случае разбавленных – не менее 4 мл. В противном случае определение рекомендуется повторить, подобрав соответствующие разбавления исследуемой воды.

Параллельно проводят холостой опыт со 100 мл дистиллированной воды (разбавляющей), который учитывает поведение окислителя в условиях анализа. При этом расход 0,01 н раствора перманганата калия не должен превышать 0,2 мл.

Окисляемость по методу Кубеля вычисляется по формуле:

мг О₂/л,

где – количество 0,01 н раствора перманганата калия израсходованного на титрование анализируемой пробы, мл;

– количество 0,01 н раствора перманганата калия израсходованного на титрование холостой пробы, мл;

– поправочный коэффициент для раствора перманганата калия ( =1);

8 – молярная масса эквивалента кислорода, г/моль;

– объем пробы, взятой для анализа, мл.

Результаты определения округляют с точностью до 0,1 мг при значении окисляемости от 0 до 10 мг в 1 л, а от 10 до 100 мг в 1 л – с точностью до 1 мг.

2.2. Определение степени загрязнения методом бихроматной окисляемости

(сточная вода, загрязненная вода природных источников)

Для анализа необходимо отобрать 20 мл пробы, поместить ее в колбу со шлифом для кипячения. В колбу (при необходимости) добавить 0,4 г катализатора, 10 мл 0,25 н раствора бихромата калия. Смесь аккуратно перемешивают и осторожно приливают к ней 30 мл концентрированной серной кислоты. Затем к колбе с пробой присоединяют обратный холодильник и кипятят смесь в течение 2 часов. При этом необходимо следить за цветом кипящего раствора. Если он изменился от золотисто-оранжевого к буро-зеленоватому, то определение необходимо повторить с более разбавленной пробой, т.к. это свидетельствует о недостатке окислителя. Если цвет не изменился, то по истечении указанного времени охлаждают систему, отсоединяют холодильник и приливают в колбу 100 мл дистиллированной воды. Разогревшуюся смесь вновь охлаждают, прибавляют 3-5 капель индикатора и избыток бихромата калия оттитровывают 0,25 н раствором соли Мора до перехода окраски в устойчивый зеленый цвет.

Параллельно проводят опыт с 20 мл дистиллированной воды (контроль).

поправку титра раствора соли Мора устанавливают по титрованному раствору бихромата калия или перманганата калия (в трех повторностях). В колбу 100 мл вводят пипеткой 10 мл раствора соли Мора, добавляют 1-2 мл концентрированной серной кислоты, 3-4 капли фенилантраниловой кислоты и титруют титрованным раствором перманганата калия (0,1 н) до бледно-розовой окраски.

Бихроматная окисляемость рассчитывается по формуле:

мг О₂/л

где – объем раствора соли Мора, израсходованный на титрование холостой пробы, мл;

– объем раствора соли Мора для титрования анализируемой пробы, мл;

– экспериментально установленный титр раствора соли Мора;

– объем пробы воды, взятой для анализа, мл.

Расчет титра соли Мора:

где – средний объем титрованного раствора 0,1 н перманганата калия, в 3-х пробах, мл;

0,1 – нормальность раствора ;

10 – объем раствора соли Мора, мл.

Округление результатов производят в зависимости от величины бихроматной окисляемости.

Диапазон ХПК по степени загрязненности, мг О₂/л	100-200	200-500	500-1000	1000-2000
Округление бихроматной окисляемости с точностью до, мг О₂/л