Методика проведения анализа

Теоретические основы

К воде, используемыми предприятиями для производственных нужд, предъявляются определенные требования.

На заводах промышленности органического синтеза воду, в основном, употребляют для охлаждения оборудования, в паросиловых установках, а также непосредственно в производстве продукта.

В зависимости от назначения употребляемой воды ее анализируют по различным показателям, так как наличие некоторых примесей может препятствовать использованию воды для одних целей и не имеет существенного значения- для других. Требования к производственным водам в каждом отдельном случае определяются технологическим регламентом. Кроме того, существуют еще нормы по предельно допустимой концентрации вредных веществ в сточных водах, которые определяются санитарными органами.

Перед использованием или перед сбрасыванием воду подвергают анализу. Можно проводить полный анализ, при котором делают все определения (прозрачность, наличие взвешенных веществ, цветность, запах, электрическую проводимость, сухой остаток, жесткость, щелочность, окисляемость, наличие железа, сульфатов и хлоридов и т.д), или сокращенный, при котором выполняют лишь наиболее важные измерения.

Промышленную воду отбирают на анализ из трубопровода при помощи пробоотборного крана в чистые бутыли. Особое внимание следует обращать на отбор пробы сточной воды, так как состав сточных вод обычно сильно колеблется и всецело зависит от технологического процесса.

Если количество спускаемой воды более или менее постоянно, то можно ограничиться только средними пробами. Средняя проба должна быть составлена из равных количеств жидкости, взятых через одинаковые промежутки времени. При нерегулярном спуске сточной воды составляют среднепропорциональные пробы, т.е. отбирают порции, пропорциональные объемам спускаемой сточной воды. И средние, и среднепропорциональные пробы обычно берут в течении суток, сливая отдельные порции (2-3 дм ³) в большие чисто вымытые бутыли (20 дм³). По истечении суток содержимое бутыли тщательно перемешивают и для анализа отливают часть жидкости в посуду. Если сточные воды спускают периодически и количество их постоянно, то время отбора надо согласовать с технологическим регламентом процесса.

Для характеристики изменения состава воды отдельных стоков в различное время дня надо отбирать разовые пробы и определять в них отдельные компоненты, характерные для данного стока. Такие пробы следует брать через одинаковые промежутки времени, например через 1 или 2 ч, а иногда и через несколько минут и тотчас же проводить анализ отобранной пробы.

Отбирать пробу воды из водоема лучше всего при помощи специального прибора- барометра (глубина водоема не менее 1 м.). если же глубина водоема незначительна, то пробу можно отбирать при помощи склянки вместимостью 1-1,5 дм³, заключенной в металлическую оправу со свинцовым дном. Склянку закрепляют в металлической оправе специальным зажимом, охватывающим ее горлышко, и закрывают резиновой пробкой, привязанной к шнуру, при помощи которого пробку можно вынуть на требуемой глубине. В летнее время из неглубоких водоемов, в случае отсутствия специальных приборов, можно отбирать пробы воды, опуская руку со склянкой в воду.

Посуда, применяемая для отбора проб, должна быть тщательно вымыта, сначала теплой водой, потом хромовой смесью, а затем снова водой. Иногда, например для определения биохимического кислородного потребления, требуется особенно чистая посуда. Для этого посуду моют хромовой смесью и пропаривают.

Перед отбором пробы посуду, в которую ее будут набирать, надо 2-3 раза ополоснуть исследуемой водой.

Для хранения сточной воды рекомендуют пользоваться посудой из борсиликатного стекла (пирекс) или из полиэтилена.

К каждой емкости с отобранной пробой воды прикрепляют этикетку-бирку (фанерную или картонную), на которой записывают: наименование отобранной пробы, дату, время, стену и место отбора (номер сборника или емкости, откуда отбиралась проба).

Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жесткой. Ионы Ca ²⁺, Mg ²⁺, Fe ³⁺, Sr ²⁺, Ba ²⁺ и другие обусловливают жесткость природных вод. За исключением Ca и Mg, воды содержат незначительное количество указанных ионов. В связи с этим общая жесткость природных характеризуется суммарным содержанием ионов Са ²⁺ и Mg ²⁺, выраженным в мг·экв/дм ³. Один мг·экв/дм ³ соответствует содержанию в 1 дм ³ воды 20,04 мг Са ²⁺ или 12,156 мг Mg ²⁺. Вода называется мягкой, если ее жесткость 1,5-3 мг·экв/дм ³, жесткой- 6,5-11,0 мг·экв/дм ³, очень жесткой- более 11,0 мг·экв/дм ³.

Ионы кальция и магния могут быть связаны различными анионами, чаще всего с НСО₃ и СО₃. Гидрокарбонаты Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂ и карбонаты CaCО₃, MgCО₃ определяют карбонатную жесткость. При нагревании воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты.

Растворимость CaCO₃ и MgCO₃ значительно меньше, чем CaHCO₃ и MgHCO₃, поэтому при нагревании жесткость воды снижается. Жесткость воды, обусловленная гидрокарбонатами, называется временной (устранимой). Разность между общей и временной жесткостью называется постоянной (неустранимой) жесткостью. Сульфаты и хлориды кальция и магния определяют некарбонатную жесткость.

Общую жесткость воды определяют различными методами, в том числе по методу Винклера и наиболее быстрым и удобным комплексометрическим методом.

Метод Винклера основан на образовании труднорастворимых кальциевых и магниевых солей олеиновой кислоты при взаимодействии олеата калия с содержащимися в воде солями кальция и магния. Конец реакции определяют по образованию устойчивой пены, возникающей при избытке олеата калия.

Комплексометрический метод основан на образовании ионами Ca ²⁺ и Мg ²⁺ прочных внутрикомплексных соединений с трилоном Б.

При определении общей жесткости воды используют индикатор эриохром черный (хромоген черный специальный ЕТ-ОС). При жесткости менее 0,05 мг·экв/дм ³ применяют индикатор хром темно-синий.

В щелочной среде (рН 8-11) ионы Са ²⁺ и Мg ²⁺ образуют с эриохромом черным комплексы красного цвета менее прочные, чем комплексонаты этих металлов с трилоном Б. при титровании пробы воды трилоном Б в присутствии эриохрома черного красные комплексы кальция и магния разрушаются и образуются комплексонаты этих металлов с трилоном Б, не имеющие окраски. Поэтому в точке эквивалентности красная окраска раствора переходит в синюю, обусловленную окраской аниона индикатора. Чувствительность комплексометрического определения общей жесткости воды практически равна 1 мг·экв/дм ³.

Свободные гидроксиды, а также соли слабой кислоты и сильного основания, присутствующие в воде, обуславливают щелочность последней. Щелочность, вызываемая присутствием указанных выше солей,- бикарбонатной или карбонатной, в зависимости от природы соли. Определяются все виды щелочности титрованием пробы воды растворами кислоты в присутствии различных индикаторов и выражаются в мг·экв/дм ³.

Преобладающими анионами, содержащимися в воде, являются хлор-ионы. Содержание их определяют объемными методами: меркуриметрическим или аргентометрическим.

Первый метод, основанный на связывании иона хлора с образованием малодиссоциированной соли HgCl₂, применяется при относительно малых концентрациях хлора в воде.

В случае относительно большого содержания ионов хлора в воде пользуются аргентометрическим методом (метод осаждения). Последний заключается в титровании пробы воды раствором нитрата серебра в присутствии хромата калия. Как только высадится белый осадок хлорида серебра, избыточное количество нитрата серебра начнет образовывать окрашенный в коричневый цвет хромат серебра, что будет указывать на полноту осаждения ионов хлора:

Cl ^- +AgNO₃ AgCl + NO ₃ ^-,

K₂CrO₄ + 2AgNO₃ Ag₂CrO₄ + 2KNO₃

Помимо указанных выше примесей вода обычно содержит еще какое-то количество органических веществ, а также легко-окисляющихся неорганических продуктов (сульфиты, нитриты, ионы двухвалентного железа и др.)

Из-за сложности прямого определения органических веществ в воде об их содержании судят по количеству кислорода, расходуемого на окисление пробы в определенных условиях, т.е. определяют окисляемость воды. Окисляемость воды выражают числом миллиграммов кислорода, израсходованных на окисление 1 дм ³ воды. Окисляемость по кислороду речных вод обычно составляет 4-8 мг/дм ³, вода считается пригодной для хозяйственно-питьевых нужд, если ее окисляемость не превышает 3 мг/дм ³.

В качестве окислителей органических веществ при определении окисляемости воды применяют растворы перманганата (перманганатная окисляемость) или бихромата калия (бихроматная окисляемость).

При применении в качестве окислителя раствора перманганата калия, в зависимости от содержания ионов хлора в исследуемой пробе, реакцию проводят или в кислой или в щелочной среде. Если содержание ионов хлора не превышает 100 мг/дм ^3,, то пользуются методом Кубеля, т.е. реакцию проводят в кислой среде. при более высоком содержании ионов хлора окисление ведут в щелочной среде (метод Шульца).

Принцип метода основан на том, что кислый или щелочной раствор перманганата калия способен отдавать кислород в присутствии окисляющихся веществ. С целью учета вошедшего в реакцию кислорода избыток перманганата калия восстанавливается щавелевой кислоты:

2KMnO₄ + 3H₂So₄ K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 3H₂O + 5O,

2KMnO₄+ 5H₂C₂O₄ + 3H₂SO₄ 10CO₂ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

При перманганатном методе окисление органических веществ может проходить не полностью, и этот метод обычно применяется для более чистых вод.

Для анализа сточных и загрязненных вод окисление осуществляют бихроматом калия в присутствии большого количества серной кислоты, так как при этом методе достигается полное окисление в воде восстановителей. Бихроматную окисляемость называют часто химическим поглощением кислорода- ХПК.

Окисление органических веществ идет до образования диоксида углерода, воды, азота. Для ускорения процесса вводят в качестве катализатора сульфат серебра. В этих условиях окисление большинства органических веществ проходит на 95-100%.

При оценке качества сточных вод, контроле работы станций биологической очистки, а также при исследовании коррозионных свойств воды определяют содержание растворенного кислорода. Для этого используют метод Мюллера- титрование растворенного кислорода солью Мора FeSO₄·(NH₄)₂SO₄·6H₂O в щелочной среде или метод Винклера. Последний основан на окислении растворенным в воде кислородом гидроксида марганца до мараганцеватистой кислоты H₂MnO₃.

В промышленности органического синтеза иногда возникает необходимость определять в сточных водах содержание крошки каучука. Для этого воду фильтруют через бумажный фильтр, а затем фильтр с собранным каучуком высушивают и взвешивают. В последние годы для определения в сточных водах мономеров и растворителей, применяемых в производстве каучука, а также побочных продуктов, образующихся в процессе полимеризации, широко используют метод хроматографии. Этот метод позволяет определить и качественный, и количественный состав органических веществ в сточных водах, что очень важно при решении вопроса об очистке сточных вод производства синтетических каучуков. При анализе используется метод прямого ввода анализируемой воды в хроматограф, так и метод предварительной экстракции органических веществ из сточных вод с последующим хроматографированием экстракта.

При выполнении химических анализов производственных и сточных вод следует соблюдать следующие правила техники безопасности:

-любая производственная проба, отбираемая из водомерного стекла, должна отбираться в присутствии аппаратчика отделения;

Для отбора проб необходимо использовать толстостенные бутыли; пользоваться для этой цели тонкостенной посудой не разрешается;

-склянки для отбора проб пустые и с пробками необходимо переносить в специальных ящиках или ведрах;

-все производственные пробы хранят в вытяжном шкафу комнаты хранения проб; уничтожить или выливать пробы можно только по разрешению начальника лаборатории или сменного химика;

-при проведении анализов соблюдать все правила техники безопасности, упомянутые в ранее описанных главах и имеющие отношение к этим анализам.

Методика проведения анализа

В результате проведения лабораторной работы студент должен

Знать:

Цель проведения анализа технической воды;

Способы очистки и обезвреживания сточных вод;

Применение замкнутой системы водоснабжения;

Охрану водного бассейна;

Отбор проб технической воды;

Сущность метода определения органических веществ в промышленных водах;

Методику определения органических веществ в промышленных водах;

Технические требования, предъявляемые к производственной воде;

Предельно допустимые концентрации вредных примесей в сточных водах;

Правила техники безопасности при выполнении анализа.

Уметь:

Писать химические формулы используемых веществ;

Выполнить анализ с соблюдением правил техники безопасности;

Обрабатывать данные анализа;

Оценить результаты и сделать выводы;

Предложить пути улучшения качества сточных вод.

Цель работы: Установить качество анализируемой воды по определенному

показателю.

Метод основан на окислении воды раствором перманганата калия в кислой среде.

Оборудование:

Электроплитка;

Колбы конические (250 с ³);

Воронка диаметром 80-100 см ³;

Пипетки (1;100 см ³);

Цилиндр мерный (25 см ³);

Бюретка (25 см ³);

Стеклянные капилляры.

Реактивы:

Перманганат калия, раствор с молярной концентрацией эквивалента С (1/3

KMnO₄)=0,01 моль/дм ³;

Перманганат калия, насыщенный раствор;

Щавелевая кислота, раствор с молярной концентрацией эквивалента С

(СООН₂)=0,01 моль/дм ³;

Серная кислота, раствор с молярной концентрацией эквивалента С (1/2

Н₂SО₄)=4 моль/дм ³;

Соляная кислота, концентрированная.

Предварительная обработка посуды перед анализом. В колбу, в которой будет проводиться анализ, наливают 100-150 см ³ концентрированного раствора перманганата калия, подкисленного серной кислотой, и кипятят 3-5 минут. Затем выливают смесь и образовавшийся на стенках колбы осадок растворяют в небольших количествах концентрированной соляной кислоты. Колбу ополаскивают дистиллированной водой и вновь в нее наливают окислительную смесь. Кипячение повторяют 2-3 раза, после чего ополаскивают колбу дистиллированной водой.

Ход анализа: В предварительно подготовленную коническую колбу отбирают 50-100 см ³ исследуемой воды, приливают туда же мерным цилиндром 20 см ³ 4 моль/дм ³ раствора серной кислоты и из бюретки точно 20 см ³ раствора KMnO₄ концентрацией 0,01 моль/дм ³. Колбу закрывают воронкой, и смеси дают кипеть в течении 10 минут (считая от начала кипения).

Предварительно в колбу помещают стеклянные капилляры для более спокойного кипения. К горячей окрашенной жидкости приливают из бюретки 20 см ³ щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль/дм ³ и перемешивают. Горячий обесцвеченный раствор титруют раствором KMnO₄ (0.01моль/дм ³) до появления слабо-розового окрашивания, не исчезающего в течении 2-3 минут.

Расчет.

Окисляемость воды по кислороду Х, мг/дм ³, рассчитывают по формуле:

X=(v₁ + V₂ – V₃) · 0,08 ·1000/100,

Где V₁ и V₂ – объемы растворов перманганата калия- введенный в пробу и затраченный на титрование избытка щавелевой кислоты, см ³;

V₃- объем раствора щавелевой кислоты, взятый для связывания избытка перманганата калия;

0,08- масса кислорода, соответствующее 1 см ³ раствора перманганата калия концентрацией 0,01 моль/дм ³,мг;

100- объем анализируемой воды, см ³.

Вывод:

Литература

Основная

1. Белова Г.А., Исакова Н.А., Фихтенгольц В.С., Панкратова Е.Д. Технический анализ и контроль производства синтетических каучуков. Л.;Химия, 1987. 184 с.

2. Гурова Т.А. Технический анализ и контроль производства пластмасс. М.; Высшая школа, 1980. 200 с.

3. Захаров Л.Н. Техника безопасности в химических лабораториях. Л.; Химия, 1985. 184 с.

Дополнительная

1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического синтеза. М.; Химия, 1988. 592 с.

2. Капкин В.Д., Савинецкая Г.А., Чапурин В.И. Технология органического синтеза. М.; Химия, 1987. 400 с.