Ви є тут

Головна

 

Лабораторна  робота   

ОЧИЩЕННЯ ЗАБРУДНЕНОЇ ВОДИ ЗА ДОПОМОГОЮ КОАГУЛЯЦІЇ

Мета роботи : ознайомитися з одним із методів водопідготовки та очищення стічних вод.

1.1 Загальні відомості

                        Природні  води  перед  їх  використанням для технічних і побутових потреб, а також стічні води перед їх скиданням у водойми повинні бути, по можливості, максимально очищені від забруднень. Природні, а тим більше стічні води, крім розчинених домішок, містять нерозчинні речовини органічної і неорганічної природи у вигляді   колоїднодисперсних частинок розміром від 0,1 до 0,0001 мм (суспензії  ґрунту, емульсії жиру, мікроорганізми й т.п.), видалити які досить складно. Маса цих частинок настільки мала, що броунівського руху молекул води достатньо для постійної підтримки їх у диспергованому стані, тому  видалити їх відстоюванням практично неможливо. Складним є також фільтрування, оскільки грубопористі фільтри не затримують колоїдні часточки, а тонкопористі - швидко замулюються.

            Найбільш ефективним методом очищення великої кількості води від колоїднодисперсних частинок є коагуляція (від лат. сoagulum  - згусток) - об’єднання дрібних частинок дисперсної фази у великі агрегати з наступним їх осадженням. Втім самоплинне злипання цих частинок часто ускладнюється або внаслідок їх взаємного відштовхування завдяки наявності на їх поверхні однойменного електричного заряду (теорія Дерягіна–Ландау–Фервея–Овербека,  ДЛФО), або внаслідок формування між ними структурно-механічного бар’єру з адсорбованих молекул поверхнево-активних речовин (теорія Ребіндера)  [1, Глава Х]. Тому у воду додають коагулянт – речовину, яка здатна викликати або прискорювати коагуляцію. В якості коагулянтів широко застосовуються солі алюмінію й заліза ( Al2(SO4)3, Al(OH)2Cl, NaAlO2, Fe2(SO4)3, FeCl3, а також їх суміші), які при розчиненні у воді піддаються   гідролізу  і утворюють  нерозчинні  гідроксиди [1, Глава VIII]:

Al2 (SO4)3 + 6H2O = 2Al (OH)3↓ + 3H2SO4

Al (OH)2Cl + H2O = Al (OH)3↓ + HCl

Fe2 (SO4)3  + 6H2O = 2Fe (OH)3↓ + 3H2SO4

Частинки гідроксиду утворюють колоїд, який взаємодіє з часточками забруднень і викликає їх коагуляцію. У цьому випадку має місце так звана гетерокоагуляція, при якій дві колоїдні системи коагулюють одна одну. Далі відбувається досить швидка седиментація (від англ. sedimentation – осадження) укрупнених частинок дисперсної фази і вода освітлюється.

 
 


       
 

            Найменша концентрація Сп коагулянту, що викликае коагуляцію, називається  порогом коагуляції.

            Для прискорення седиментації у воду після коагулянту додають флокулянт (від англ. flocks – пластівці) – високомолекулярну речовину, молекули якої внаслідок великої довжини поєднують агломеровані частки у тривимірні пластівці більшого розміру. Одним з найбільш доступних флокулянтів є розчин силікату калію (силікатного клею), який при розведенні водою гідролізує з утворенням силікатної кислоти:   

K2SiO3 + 2H2O = 2KOH + H2SiO3

            Молекули кремнієвої кислоти легко полімеризуються  і  з’єднують пластівці коагулянту, внаслідок чого прискорюється осадження й ущільнюється осад.

 

 
 


            Крім того, луг, що утворився внаслідок гідролізу силікату калія, нейтралізує  кислоту, отриману при гідролізі  коагулянту:

2KOH + H2SO4 = K2SO4 + 2H2O

 

1.2  Контрольні  запитання

1. Коротко  сформулюйте  принципи  класифікації   дисперсних систем. Яка різниця між колоїдами, суспензіями, емульсіями й пінами? Наведіть приклади стійких дисперсних систем, з якими ви стикаєтесь у повсякденному житті.

2. Чому в якості коагулянтів використовують саме солі алюмінію та заліза?

3. Які технологічні процеси застосовуються для переробки осаду, одержаного після коагуляційного очищення води?

           

1.3 Матеріали, інструмент, прилади, обладнання

Скляний балон ємністю 3 літра,  6 склянок місткістю 500 мл, вимірювальні циліндри на  25 та 200 мл, скляні палички.

 Наважка  Al2(SO4)3·18H2O, розчин силікатного клею.

 

1.4 Вказівки з техніки безпеки

                        Дотримуватися правил роботи з хімічними речовинами та склом. Розмішувати розчини, не торкаючись стінок посуду скляною паличкою.

1.5 Порядок проведення лабораторної роботи

Дослід 1. Визначення   ефективної концентрації коагулянту.

            Приготувати необхідну для дослідження кількість забрудненої води, для чого жменю грунту заколотити у трьох літрах води. Приготувати розчин коагулянту, для чого зважити на технічних терезах 1 г кристалічного Al2(SO4)3?18H2O і розчинити його в 200 мл води. Після чого налити по 400 мл забрудненої води в шість склянок місткістю 500 мл. Одну склянку залишити для контролю, а в п’ять інших додати відповідно  5, 10, 15, 20 і 25 мл розчину коагулянту. Відразу  ж  після внесення  коагулянту  вміст кожної склянки необхідно інтенсивно перемішувати протягом 1 хвилини, потім залишити розчин відстоюватися. Через 5-10 хвилин оцінити процес освітлення води візуально у порівнянні з контрольною склянкою. Заповнити  таблицю,   користуючись  якісними   оцінками  коагуляції: ''відсутня'', ''задовільно'', ''добре'', ''відмінно''. Обчислити концентрацію коагулянту в розчині в мг/л.

            Найменша концентрація, якій відповідає помітна коагуляція, є ефективною концентрацією, придатною для очищення води.

           

Таблиця 1.1 - Результати визначення ефективної концентрації коагулянту

Об’єм проби води         (мл)

Об’єм розчину  коагулянту         (мл)

Загальний об’єм розчину  (мл)

Маса коагулянту

(мг)

Концент-рація коагулянту        (мг/л)

Оцінка процесу  коагуляції

1

400

5

405

 

 

 

2

400

10

410

 

 

 

3

400

15

415

 

 

 

4

400

20

420

 

 

 

5

400

25

425

 

 

 

6

400

-

400

-

 

 

 

Дослід 2. Використання флокулянту для прискорення процесу седиментації.

Налити по 400 мл забрудненої води у дві склянки місткістю 500 мл додати в кожну визначену вами ефективну кількість коагулянту й перемішати вміст протягом 1 хвилини. Після цього одну колбу залишити відстоюватися, а в другу додати краплину силікатного клею й перемішати. Через 3–5 хвилин візуально порівняти швидкість коагуляції й щільність осаду в обох склянках.

Окисно-відновні реакції

 

Методичні вказівки.

 

Студент, якому дісталося вивчання цієї теми, повинен засвоїти такі поняття: ступінь окиснення, окислювач та відновник, процес окиснення та відновлення, міжатомні та міжмолекулярні процеси окиснення-відновлення та диспропорціювання.

 При вивчанні окисно-відновних реакцій студент повинен набути таких навичок: знаходити ступінь окиснення атомів елементів в молекулах сполук, давати характеристику окисно-відновним властивостям елемента в заданому ступені окиснення, вміти складати рівняння окисно-відновних реакцій та вміти знаходити коефіцієнти в цих рівняннях.

 

Розв`язування типових задач.

 

Приклад 8.2.1 Знайти ступінь окиснення Хлору в сполуках: ,  та пояснити, яка сполука є тільки окислювачем, тільки відновником, а яка може проявляти як окислювальні, так і відновні властивості.

Розв’язання:  Знаходимо ступінь окиснення хлору в наведених сполуках, виходячи з електронейтральності молекули, та пам’ятаючи, що струмінь окиснення кисню дорівнює –2, а натрію +1.

 

Na+1Cl–1;  Na+1Cl+1O–2;  Na+1Cl+5O3–2;  Na+1Cl+7O–2

 

Речовина виконує тільки відновлювальну реакцію, тобто є безумовним відновником в тому разі, коли її молекула вміщує атом, існуючий у нижчому ступені окиснення, і завдяки тому спроможний тільки на процес віддачі (вилучення) електронів. Для неметалів мінімальне значення ступеня окиснення відповідає числу електронів, що не вистачає до завершення зовнішнього енергетичного рівня і має знак “мінус” (–), тобто - (8 – N), де N - номер групи періодичної системи, де знаходиться цей елемент. Таким чином, для хлору мінімальний ступінь окиснення дорівнює –1, тому ця речовина у такому стані (Cl) може виявляти тільки відновлювальні властивості.

Атом елемента у вищому ступені окиснення може тільки приєднувати електрони і тому є виключно окислювачем. Максимальний ступінь окиснення дорівнює загальному числу валентних електронів, що має знак “ + ”, або в загальному вигляді “+N”, де N - номер групи елемента у періодичній таблиці. Тому для хлору значення максимального ступеня окиснення відповідно дорівнює +7. Звідси випливає що NaClO4 може виявляти тільки окислювальні властивості.

Сполуки NaClO3 та NaClO вміщують атоми хлору в проміжних ступенях окиснення (+5 та +1 відповідно), тому в залежності від умов реакції вони можуть (спроможні) виявляти як відновні так і окислювальні властивості. Наприклад:

 

NaCl+5O3 + 3H2SO4 = NaCl + 3H2SO4

окислювач

NaCl+5O3 + I2 + H2O = NaClO4 + 2HI

Відновлювач

 

Приклад.Користуючись методом електронного балансу знайдіть коефіцієнти в рівнянні окислювально-відновної реакції. Вкажіть окислювач та відновник та процеси окиснення та відновлення:

 

Cr2(SO4)3 + Cl2 + KOH = K2CrO4 + KCl + K2SO4 + H2O

 

       Розв’язання: Знаходимо ступені окиснення атомів усіх елементів, які входять до складу молекул реагуючих сполук. Зверніть увагу, що реакція проходить в лужному середовищі, тобто в присутності KOH, тому йон Хрому Cr+3, окислюючись до Cr+6, утворює хромат, тобто:

 

Cr2+3(SO4)3–2 + Cl20 + KOH = K2Cr+6O4 + KCl–1 + K2SO4 + H2O

 

Виписуємо атоми елементів, які змінили свої ступені окиснення та знаходимо число вилучених і приєднаних електронів:

 

       
   

 

2Cr+3 – 6e–  → 2Cr+6            1          процес окиснення, Cr+3

відновник

Cl20 + 2e → 2Cl–1             3           процес відновлення, Cl20

Окислювач

 

За законом збереження енергії загальне число вилучених та приєднаних електронів повинно бути однаковим. Знаходимо найменше кратне для чисел 2 і 6. Воно дорівнює 6,тому ставимо необхідні множителі перед попередньою кількістю електронів (перед двійкою множитель 3, а перед шестіркою відповідно 1). Таким чином знаходимо коефіцієнти, які ставимо у рівняння перед молекулами окислювача і відновника у лівій частині рівняння, а інші коефіцієнти підбираємо відповідно до закону збереження маси речовини. І на сам кінець цього процесу перевіряємо число атомів кисню в лівій та правій частинах рівняння:

 

Cr2(SO4)3 + 3Cl2 + 16 KOH = 2K2CrO4 + 6KCl + 3K2SO4 + 8H2O

 

                         Дати оцінку процесів коагуляції, визначити ефективну концентрацію коагулянту. Зробити висновки щодо використання флокулянту. Розв’язати задачу.

 

Задача. Використавши  отримане у роботі значення ефективної концентрації коагулянту, розрахуйте щоденну витрату коагулянту для забезпечення побутового водопостачання міста з населенням 800 тисяч при середній нормі водоспоживання 200 літрів за добу на одну людину.

 

1.7 Література

                        1. Глинка Н.Л. Общая  химия: Учебное пособие для вузов.- 24-е изд., испр./ Под ред. Рабиновича В.А.- Л.: Химия, 1985.- 704 с. ил.