Спектрофотометрическое определение цветности воды

Принцип метода. Метод основан на измерении оптической плотности исследуемой пробы воды при двух длинах волн: λ = 340 нм, и λ = 400 нм. Цветность в градусах находят по калибровочной кривой, построенной в координатах: ось ординат - разность значений оптической плотности при λ = 340 нм и Я = 400 нм, ось абсцисс - цветность, найденная методом колориметрического титрования в нескольких (10-12) пробах различно окрашенных природных вод.[23]

Мешающие влияния. Определению цветности мешает мутность, которую устраняют фильтрованием или центрифугированием.

Ход определения. Пробу исследуемой воды в зависимости от цветности помещают в кювету с толщиной слоя 2, 3 и 5 см и измеряют оптическую плотность раствора на спектрофотометре при двух длинах волн: λ = 340 нм и λ = 400 нм. Если, величина оптической плотности превышает 0,8, следует пользоваться кюветами с меньшей толщиной слоя. Определяют разность оптических плотностей и по соответствующей калибровочной кривой находят величину цветности.

Построение калибровочной кривой. Для построения калибровочной кривой используют 12-15 проб различно окрашенных природных вод, измеряют оптическую плотность каждой из этих проб на спектрофотометре при λ = 340 нм и λ = 400 нм в кюветах с толщиной слоя 2, 3 или 5 см (в зависимости от цветности воды) и вычисляют их разность. Затем производят определение цветности в этих пробах методом колориметрического титрования (за результат принимают среднее из трех параллельных определений). Строят три калибровочные кривые (для кювет с толщиной слоя 2, 3 и 5 см), откладывая по оси ординат разность оптических плотностей при λ = 340 нм и λ = 400 нм, а по оси абсцисс - величину цветности, найденную методом колориметрического титрования. Если определение исследуемой пробы производится в кюветах с толщиной слоя 2 см (или 3, или 5 см), цветность находят по калибровочной кривой, построенной по растворам, помещенным в кюветы с соответствующей толщиной слоя.

вода очистка электрокоагуляционный катионит

Измерение рН воды

Общие сведения. Измерения рН относятся к наиболее распространенным измерениям в химии. Правильные названия для рН - водородный показатель, показатель кислотности, «пэ-аш».

В настоящее время основным методом измерения рН является использование специального прибора - рН-метра. Принцип действия такого прибора потенциометрический, то есть измеряемой величиной является напряжение между двумя электродами, опущенными в раствор. Обычно напряжение между такими электродами изменяется на десятки и сотни милливольт. Таким образом, рН - метр представляет собою милливольтметр. Особенностью такого милливольтметра является очень маленький входной ток, так что он может измерять напряжение с самых разных электродов, в том числе стеклянных, через который большой ток не проходит. Кроме того, у рН-метра имеется система пересчета напряжения в рН (а в более совершенных моделях и в некоторые другие величины, например в градусы Тернера для кислотности молока).[24]

Прибор для измерения рН состоит из двух основных элементов - измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами.

Принцип работы. Прибор включают в сеть и прогревают не менее 30 мин. Перед проведением испытаний осуществляют проверку прибора по стандартным буферным растворам с рН 3,57; 4,00; 5,00; 6,88; 9,22 при температуре 20°С по прилагаемым к приборам инструкциям. После проверки электроды тщательно промывают дистиллированной водой <http://www.znaytovar.ru/new832.html>.

Затем концы электродов погружают в предварительно подготовленный испытуемый раствор, и после того, как показания прибора примут установившееся значение, отсчитывают величину рН по шкале прибора. После каждого измерения электроды тщательно промывают дистиллированной водой. Прибор измерения рН указан на рисунке 4.

 

Рис. 4 - рН- метр-миливолтметр рН - 121: 1 - чувствительный элемент; 2 - измерительный электрод; 3 - внутренний контактный электрод; 4 - вспомогательный электрод; 5 - хлорсеребряный электрод; 6 - электролитический ключ; 7 - рН-метр-миливолтметр

 

Экспериментальная часть

 

Очистка сточных вод методом электрокоагуляции, обеспечивает высокий эффект удаления из воды разных видов загрязнений.

При проведении очистки сточных вод, основным оборудованием был выбран электролизер рис. 5.

Рис. 5 - Безнапорный пластинчатый электролизер горизонтального типа

 

Представляющий собой пластинчатый безнапорный электролизер горизонтального типа. Пластины метала, расположены вертикально на расстоянии 3-20 мм одна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электрический ток подводится к каждой пластине. Для очистки сточных вод был выбран железный анод вместо алюминиевого, который в большинстве случаев применяются для подготовки питьевой воды.

Эксперимент проводили на установке, изображенной на рис. 6, которая состоит из насоса для перекачки воды, электролизера, снабженным двумя активными электродами и одним пассивным, который расположен в межкатодном пространстве. За счет возникновения потенциала, который возникает между активными электродами, пассивный электрод также растворяется с выделением гидроокиси, что в свою очередь приводит к более полной очистке загрязненной воды. С электролизера вода с осажденными примесями электрокоагулянта поступает на фильтр, который представляет собой резервуар, заполненный фильтрующим элементом, минеральной ватой. Очищенная таким образом вода использовалась для дальнейших исследований на качество воды. Скорость движения воды в электрокоагуляторе регулировалась скоростью вращения насоса с помощью латера.

Исследования показали, что очищенная таким способом вода, имеет достаточно глубокую очистку, при этом удельный расход электроэнергии составляет 0,08-0,5 кВт∙час/м3.

Расход электроэнергии на обработку единицы объема воды при постоянной плотности тока и повышении температуры воды от 2 до 80оС значительно уменьшается. Например, при плотности тока 2 ма/см2 и температуре воды 2оС расход электроэнергии составляет 4 вт-ч/ м3, а при 80оС уменьшается в 3 раза.

Зависимость расхода электроэнергии от температуры воды приведена в таблице 2.

 

Таблица 2 - Зависимость расхода электроэнергии от температуры воды

Наименование показателей	Единица измерения	Температура воды, оС
		2	10	20	30	40	50	60	70	80
Напряжение	в	4,5	4,3	4,0	2,9	2,65	2,5	2,1	1,8	1,5
Расход электроэнергии	вт-ч/м3	4,0	3,8	3,6	2,6	2,4	2,3	1,9	1,6	1,3

 

Нами проведены исследования по изменению выхода Fe по току в зависимости от температуры воды и плотности тока при длительной работе электролизера показали, что при плотности тока 1-4 ма/см2 происходит активное растворение железного анода. При длительности электролиза около 200ч выход железа по току остается почти постоянным, поверхность анода растворяется равномерно с образованием множества мелких питтингов. Начиная с плотности тока 5 ма/см2 выход железа по току при повышении температуры через некоторое время резко уменьшается.[25]

При проведении эксперимента были выбраны основные технологические параметры. В таблице 3 приведены данные по удельному расходу железа и затратам энергии, для предварительной (50% удаления) и глубокой очистки воды от загрязнений.

 

Таблица 3 - Удельные расходы железа и электроэнергии на удаление загрязнений воды

Загрязнения	Измеритель	Предварительная очистка		Глубокая очистка
		Fe+2, мг	Электроэнергия, вт-ч/м3	Fe+2, мг	Электроэнергия, вт-ч/м3
Мутность	1 мг	0,04-0,06	5-10	0,15-0,2	20-40
Цветность	1 град	0,04-0,1	10-40	0,1-0,2	40-80
Кислород	1 мг О2	0,5-1	40-200	2-5	80-800

Исследования по влиянию рН на процесс электрохимического растворения железного анода с целью получения коагулянта - гидроксида железа проводилось в пределах рН=6÷12. При этом были определены границы рН, в которых образуется твердая дисперсная фаза гидроокиси железа. Также рассмотрели качественные показатели загрязненной и очищенной воды с использованием метода электрокоагуляции. Основными загрязнителями в исследуемой воде являются хлориды, сульфаты и органические загрязнители, такие как дихлорэтан (ДХЭ). Результаты исследования приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 - Качественные показатели загрязненной и очищенной воды

Наименование показателей		Единица измерения	До очистки		После очистки
Мутность		мг/л	5,5		1,2
Цветность		град	60		18
Величина рН			8,2		7,1
Хлориды		мг/л	14		9
Сульфаты		мг/л	22,5		15,2
ДХЭ	мг/л			8,6	-
Окисляемость воды	мг/лО2			1,3	0,28

 

Таким образом, исходя из приведенных выше данных, активное растворение железного анода происходит при температуре воды от 2 до 60оС и плотности тока от 1 до 4 ма/см2, при этом расход электроэнергии не большой, удаление загрязнений из воды наиболее эффективно протекает в пределах температур 20-50оС, при температуре свыше 60оС процесс является не целесообразным. При более высоких плотностях тока с повышением температуры воды выход железа по току снижается и возрастает напряжение на электродах. Наиболее интенсивное образование хлопьев гидроокиси железа происходит при рН от 4 до 8. Электрохимическая очистка сточных вод дает возможность не только снизить затраты на электроэнергию, но и утилизировать продукты очистки в промышленности. Тем самым достигается экологический и социальный эффект.

Технологическая часть

 

Технологическая схема производство катионита марки КУ-2-8 методом прямого сульфирования.

Сополимер стирола с дивинилбензолом с узла сушки отделения сополимера по трубопроводу с помощью вакуумного пневмотранспорта подается в реакторы-сульфураторы. Дихлорэтан из отделения сырья по трубопроводу поступает в мерник дозатор, из которого отмеренная доза дихлорэтана сливается в реактор.

Серная кислота с массовой долей моногидрата 95-97% из хранилища 1 насосом по трубопроводу подается в мерник - дозатор, оборудован переливным трубопроводом, по которому избыток серной кислоты поступает в хранилище. Отмеренная доза серной кислоты из мерника - дозатора сливается в реактор. В реакторе - сульфураторе протекают стадии: набухания сополимера в дихлорэтане, сульфирование набухшего сополимера и отгонки дихлорэтана острым паром. Реактор - сульфуратор снабжен мешалкой. Пары дихлорэтана из реактора по трубопроводу поступают в холодильник конденсатора, в котором за счет холодной воды, которая поступает в межтрубное пространство холодильника, где происходит стадия разделения и очистки дихлорэтана (ДХЭ). Возвратный ДХЭ подается в мерник, где смешивается с чистым ДХЭ и вновь поступает на производство.

После окончания стадии отгонки дихлорэтана, реакционная смесь в реакторе охлаждается до температуры 600С, за счет подачи холодной воды в рубашку реактора. Охлажденная суспензия катионита из реактора по трубопроводу выгружается в гидрататор. В гидрататоре протекает стадия ступенчатой гидратации серной кислоты обессоленной водой.

Объемный расход загрузки обессоленной воды на растворение -1000 м3. Обессоленная вода на первое растворения загружается в два приема:

4000 м3 в нижнюю часть реактора;

6000 м3 в верхнюю часть реактора.

В дальнейшем обессоленная вода будет, загружаться в верхнюю часть реактора-гидрататора. Перемешивание суспензии "катионит - раствор кислоты" проводится сжатым воздухом давлением не более 0,069 МПа (0,69 кгс/см2), подаваемой в нижней части реактора-гидрататора. Раствор кислоты выводится из реактора с помощью давления сжатым воздухом давлением не более 0,069 МПа (0,69 кгс/см2) в верхнюю часть реактора в коллектор отработанных кислот через и далее поступает в отделение накопления кислых стоков для усреднения и транспортировки в цех химводоочистки.

Воздух из реактора-гидрататора сбрасывается через ловушку до атмосферы. Для поглощения кислых паров, отводимых с технологическим воздухом с гидротатора, в ловушке поддерживается постоянный уровень воды. При значении массовой доли серной кислоты 5% суспензия "катионит-кислота" перегружается в промывочную колонну, для последующего отмывания катионита от кислоты обессоленной водой. Промывка катионита от кислоты проводится обессоленной водой в промывной колонне. После выгрузки суспензии катионита в промывочную колонну через нижние фильтрующие устройства подается обессоленная вода. Промывные воды отводятся из промывной колонны через штуцер в верхней части в сборник для сточных вод. Дальше поступает в электролизер, где проходит глубокая очистка сточной воды. После этого вода поступает в дальнейшее производство. В декантаторе происходит процесс дополнительной промывки катионита и фильтрации суспензии.

Для дополнительной промывки катионита предусматривается подача обессоленной воды в декантатор. Избыток воды с декантатора сливается в сборник, после чего проходит очистку через электролизер. Отфильтрованный катионит ссыпается в бункеры, после чего фасуется в полиэтиленовые мешки объемом 20 кг.

Экологическая часть

 

К характерным особенностям времени, в котором мы живем, можно отнести интенсификацию и глобализацию воздействия человека на окружающую среду, что может сопровождаться небывалыми раньше негативными последствиями. И если раньше единственными проблемами для человека были региональные и локальные экологические кризисы, которые не могли привести к гибели человечества в результате и не препятствовали человеческому прогрессу, то теперь ситуация с экологией может привести к глобальным экологическим изменениям.[26]

И прежде чем искать пути решения экологических проблем, необходимо выявить эти основные проблемы. Известно, что проблемы с загрязнением природной среды становятся с каждым днем все более актуальным. И, скорее всего, причина кроется в стабильном росте объемов сельскохозяйственного и промышленного производства, а также в качественном изменении производства всех сфер под прямым влиянием научно-технического прогресса. Все экологические проблемы можно условно разделить на несколько групп: загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и уменьшение биологического разнообразия. Как показывает современная экология Украины, если существуют экологические проблемы и их решения, то значит необходимо разрабатывать пути и способы добиться результатов.

Загрязнение воды отходами и стоками, это одна из основных проблем экологии. Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Одним из прогрессивных направлений решения этой проблемы является электрообработка вод путем наложения внешнего электростатического поля (метод электрокоагуляции). При его использовании имеет место растворение железного или алюминиевого анода, образование и осаждение труднорастворимых гидроксидов, а вместе с ними и осаждение ионорастворенных примесей.

Существуют различные методы очистки сточных вод. Но наиболее эффективным является метод электрокоагуляции.

Очистка сточных вод электрокоагуляцией основана на их электролизе с использованием стальных или алюминиевых анодов, подвергающихся электролитическому растворению. Наряду с этим, прохождение электрического тока большой плотности через обрабатываемую воду, обусловливает высокую бактерицидную эффективность процесса. Высвободившийся кислород (в дополнение к кислороду, образующемуся на аноде) не только насыщает воду ионами кислорода, но и является одной из

мощных составляющих по обеззараживанию воды. Практически полное обеззараживание происходит уже в первые несколько секунд работы. Дополнительно эффект обеззараживания достигается интенсивным поступлением в среду атомарного кислорода, бурно выделяющегося в результате электролиза воды.

Достоинства электрокоагуляции в сравнении с другими методами заключаются в:

компактности установок и простое управление;

отсутствие потребности в реагентах;

малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН среды, присутствие токсичных веществ);

низкое потребление электроэнергии;

дешёвое эксплуатационное обслуживание;

высокая степень очистки обеззараживания;

получение шлама с хорошим структурно-механическими свойствами;

относительно невысокая стоимость установки;

возможность получения сырья для производства кормовых материалов животным;

сохранение необходимых питательных веществ, для дальнейшего производства кормов, во время переработки.

Этот метод считается наиболее эффективным при очистке сточных вод.

Создание даже самых совершенных очистных сооружений не может решить проблему охраны среды. Истинная борьба за чистоту окружающей среды - это не борьба за очистные сооружения, это борьба против необходимости таких сооружений. Совершенно очевидно, что экстенсивными методами проблему не решить. Интенсивный же путь решения глобальной экологической проблемы - это снижение ресурсоемкого производства и переход к малоотходным технологиям. Возможность стабилизации и улучшения качества окружающей среды за счет более рационального использования всего комплекса природных ресурсов в условиях ускорения социально-экономического развития связана с созданием и развитием безотходного производства.

Заключение

 

В дипломной работе разработана технологическая схема получения катионита, методом прямого сульфирования концентрированной серной кислотой, которая проводится периодическим процессом. Преимущество процесса: характеризуются большой гибкостью (в одном и том же реакторе можно получать разные продукты); реактор периодического действия предусматривает меньшие капиталовложения, чем реактор, работающий в непрерывном режиме, что является экономически выгодным в производстве.

Предложена принципиальная схема по очистке промышленных сточных вод от органических загрязнителей, в частности дихлорэтан и соли серной кислоты.

Исследованы количественно-качественные показатели, качество очищенной воды при производстве катионита КУ-2-8, которые получены с использованием экспериментальной лабораторной установки.

Систематизированы результаты исследования по вольтамперным характеристикам, по полному циклу очистки воды согласно санитарно-эпидемиологическим нормам или частичной очистке воды, которая пригодна для использования в замкнутом цикле производства катионита.

Недостатком метода является залипание межкатодного пространства смесью коагулянта и загрязнителей.

В дальнейшем исследования могут быть направлены на механическую очистку межкатодного пространства от примесей изложенных в пункте № 2.

Список используемой литературы

 

1. Капкин В.Д., Савинецкая Г.А., Чапурин В.И., Технология органического синтеза. - М.: Химия, 1987. 400 с.

2. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для студентов, вузов М.: Стройиздат, 1979. 320 с.

.   Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М., «Металлургия», 1972.

.   Чантурия В.А., Назарова Г.Н. Электрохимическая технология в обогатительно-гидрометаллургических процессах. - М.: Наука, 1977. - 160 с.

.   Электролитическая очистка сточных вод обогатительных фабрик. // Цветная металлургия, 1972, №20. - С.57-88.

.   Герасимов И.В. Очистка сточных вод общего стока нефтеперерабатывающих заводов постоянным электрическим током с применением флотации. Труды Уфимского нефтяного института, вып. 3, 1960.

.   Кастальский А.А., Пальгунов П.П. Применение электрокоагуляции при очистке сточных вод от радиоактивных загрязнений. Очистка промышленных сточных вод. М., ГОСИНТИ, 1963.

.   Авдиевич Н.М., Кудряшов Г.П., Захаров М.А. Электрохимический способ очистки воды.-1958г

.   Белов П.С, Голубева И.А., Низова С.А., Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа.- М.: Химия, 1991, - 256 с.