Основные характеристики фильтра.

Лабораторная работа 4. Реагентное обесцвечивание воды

Цель работы

Изучение фотоколориметрического метода анализа степени окрашенности сточных вод. Изучение физико–химического механизма реагентного обесцвечивания воды.

Теоретическая часть

Фотоколориметрический метод анализа степени окрашенности воды относится к оптическим методам.

В основе метода лежит поглощение водным раствором пропускаемого через него света. При прохождении световой волны через раствор часть ее проходит, а часть поглощается. Это обусловлено следующими причинами. При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, порождаемых колеблющимися электронами; частично же она переходит в энергию движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества. Поэтому световой поток Ф₀ при прохождении через вещество уменьшается – свет поглощается в веществе.

Опытным путем установлено, что убывание светового потока при прохождении через вещество происходит по экспоненциальному закону:

Ф = Ф₀е^αl (1)

Эта зависимость носит название закона Бугера.

Здесь Ф_о – световой поток на входе в вещество,

l – толщина слоя,

α – постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения.

Дифференцирование соотношения (1) приводит к формуле:

dФ = – α Ф₀ е^αl = α Ф₀ dl, (2)

из которой следует, что убыль светового потока на пути dФ пропорциональна длине этого пути и значению самого светового потока; коэффициентом пропорциональности служит коэффициент поглощения α.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны излучения и эта зависимость определяет спектр поглощения среды. Спектр поглощения плотных сред непрерывен.

Фотометрический метод основан на сравнении светового потока Ф₀, прошедшего через растворитель (или контрольный раствор), по отношению к которому производится измерение, и светового потока Ф, прошедшего через исследуемую среду.

Коэффициент пропускания исследуемого раствора определяется как отношение потоков:

τ =100·(Ф/Ф₀)[%]. (3)

В качестве контрольного раствора применяют дистиллированную или водопроводную воду. Окраска анализируемого раствора создается искусственно. В данной работе исследуемый раствор окрашивают красителем для шерсти.

Обесцвечивание производится методом сорбции на поверхности свежеосажденного гидроксида железа (II), для получения которого соль FeSO₄ подвергают гидролизу с водой:

FeSO₄ + 2Н₂О = Fe(ОН)₂ + Н₂SО₄.

(суммарное уравнение)

Свежеосажденный гидроксид железа (II), являющийся коагулянтом, сорбирует на развитой хлопьевидной поверхности ионы красителя. Однако такой раствор обладает устойчивостью, обусловленной способностью коллоидных частиц, благодаря броуновскому движению, не опускаться на дно сосуда под действием гравитационных сил. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно между частицами имеются силы межмолекулярного притяжения. При снижении электрического заряда частиц силы отталкивания уменьшаются и становится возможны слипание частиц – процесс коагуляции. Для уменьшения заряда частиц в раствор необходимо ввести ионы, способные адсорбироваться на ядре мицеллы и имеющие заряд, противоположный по знаку уже адсорбированным частицам красителя.

Поэтому в целях уменьшения расхода коагулянта процесс коагуляции следует осуществлять при оптимальных условиях водной среды, определяемых оптимальным диапазоном значений рН. Для Fе(ОН)₂ значения рН при оптимальных условиях коагуляции лежат в пределах от 8,5 до 10,5.

Принцип работы фотометра

В качестве фотоэлектроколориметра используется фотометр КФК–3. В фотометре световые потоки Ф₀ и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы U₀, U и U_Т (U_Т – сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются микроЭВМ фотометра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, выражающийся через электрические сигналы следующим образом:

τ = 100·(U – U_Т)/(U₀ – U_т)[%] (5)

Оптическая схема фотометра имеет вид, изображенный на рисунке. Нить лампы 1 изображается конденсором 2 в плоскости диафрагмы Д1, заполняя светом щель диафрагмы. Далее диафрагма Д1 изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости такой же щелевой диафрагмы Д2. Дифракционная решетка и зеркало 5 создают в плоскости диафрагмы Д2 растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси, выделяют щелью диафрагмы Д2 излучение любой длины волны от 315 до 990 нм. Сформированный луч отражателем 6 через объективы 7, 8 создает в кюветном отделении слабо сходящийся пучок света и формирует увеличенное изображение щели Д2 перед линзой 10. Линза 10 сводит пучок света на приемнике 11 в виде равномерно освещенного светового кружка. Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра, за диафрагмой Д1 установлен светофильтр 3, который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315÷400 нм, а затем автоматически выводится.

В кюветное отделение (между объективом 7, 8 и линзой 10) устанавливаются прямоугольные кюветы 9.