Коагулирование природных вод

Основной задачей очистных сооружений городских водопроводов, пользующихся речными и озерными водами, является осветление и обесцвечивание воды (удаление из нее коллоидных и взвешенных веществ). Процесс взаимного слипания частиц, их укрупнения, называется коагуляцией, а реагенты, используемые для этой цели – коагулянты. При обработке природных вод наибольшее распространение из коагулянтов получили сернокислые и хлористые соли алюминия и железа. При введении в воду сернокислого алюминия сначала происходит диссоциация соли:

Al₂(SO₄)₃ ↔ 2Al³⁺ + 3SO₄^2-.

Трехвалентные катионы алюминия подвергаются затем гидролизу за счет гидроксильных ионов, находящихся в воде, образуя практически нерастворимую гидроокись алюминия:

Al³⁺ + H⁺ + OH^– ↔ [AlOH]²⁺ + H⁺,

[AlOH]²⁺ + H⁺ + OH^– ↔[Al(OH)₂]⁺ + H⁺,

[Al(OH)₂]⁺ + H⁺ + OH^– ↔ Al(OH)₃ + H⁺,

Al³⁺ + 3H₂O ↔ Al(OH)₃ + 3H⁺.

Образующаяся гидроокись алюминия Al(OH)₃ имеет весьма развитую поверхность и обладает адсорбционными свойствами, поэтому находщиеся в воде примеси сорбируются гидроокисью алюминия, в результате чего вода осветляется и обесцвечивается. В процессе коагуляции хлопья гидроокиси с прилипшими к ним примесями постепенно укрупняются, что облегчает их последующее выделение из воды.

Выделяющиеся при гидролизе ионы водорода вступают в реакцию с присутствующими в воде гидрокарбонатными ионами:

H⁺ + HCO₃^– ↔ H₂CO₃ ↔ H₂O + CO₂.

Если карбонатов, содержащихся в воде, не хватает для полного гидролиза коагулянта, то производят ее подщелачивание. Дозу извести для этого определяют по формуле 1:

Диз = 28(Дк/е – Щ + 1), мг/л,

(1)

где Д_из – доза извести, мг/л;

Д_к – доза коагулянта;

е – эквивалентный вес коагулянта;

Щ – щелочность в исходный воде, мг-экв/л.

Если Д_из получается отрицательным, то подщелачивание не производят.

Суммарная реакция гидролиз сульфата алюминия в присутствии находящегося в природных водах бикарбоната кальция выражается уравнением:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6H₂CO₃.

Наиболее эффективная коагуляция происходит при полном гидролизе коагулянта, происходящем при рН воды в пределах 6,5–7,5.

При предварительных расчетах для обработки воды дозу сернокислого алюминия рассчитывают по формуле 2:

Дк = 4 , мг/л,

(2)

где Д_к – доза коагулянта, мг/л;

Ц – цветность воды, град,

или по формуле 3:

Дк = 3,5 , мг/л,

(3)

где М – мутность воды, мг/л.

Оптимальную дозу коагулянта определяют путем пробного коагулирования в лабораторных условиях.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Для выполнения работы была выдана проба исследуемой воды (I).

I. Определение качественных показателей исходной воды.

1.Определение цветности воды

Цветность измеряют в градусах платиново-кобальтовой шкалы цветности путем сравнения исследуемой воды с эталоном. В эталонную колбу наливают примерно 500 мл и рассматривают сбоку на белом фоне на расстоянии 2 м, подбирая к цвету пробы цвет наиболее подходящей колбы шкалы цветности.

Цветность исследуемой воды составляет 100 град.

2. Определение активной реакции рН

Для определения рН используют индикаторную бумагу, которая представляют собой обычную фильтровальную бумагу, пропитанную раствором того или иного универсального индикатора (лакмус). Универсальная индикаторная бумага рассчитана на определение величины рН в интервале от 1 до 10. К каждой пачке индикаторной бумаги обычно прилагается цветная шкала, показывающая окраску бумаги при различных рН.

Активная реакция исследуемой воды: рН = 7.

3. Определение общей щелочности воды

Общая щелочность воды обусловлена суммой содержащихся в воде ионов НСО₃^–, СО₃^2–, ОН^– и других солей слабых кислот, вступающих в реакцию с сильными. Щелочность, обусловленная присутствием сильных оснований (гидратов), называется гидратной. Щелочность, обусловленная присутствием ионов НСО₃^–, СО₃^2– называется бикарбонатной, или карбонатной. Для природных вод характерна бикарбонатная щелочность. Щелочность выражается в мг-экв/л. Практически щелочность природных вод соответствует концентрации гидрокарбонатных ионов НСО₃^– если в воде отсутствуют карбонаты СО₃^2–.

Определение общей щелочности основано на реакции образования нейтральных солей при титровании воды соляной кислотой. Ионы оттитровывают соляной кислотой в присутствии индикатора фенолфталеина, они обусловливают щелочность воды по фенолфталеину. При этом протекают следующие реакции:

ОН^– + Н⁺ ↔ Н₂О,

СО₃^2– + Н⁺ ↔ НСО₃^–.

Ион НСО₃^– оттитровывают соляной кислотой в присутствии индикатора метил-оранжа. При этом происходит реакция:

НСО₃^– + Н⁺ ↔ Н₂СО₃ ↔ Н₂О + СО₂↑.

Если щелочность по фенолфталеину равна нулю, то общая щелочность обусловлена только НСО₃^– и равна карбонатной жесткости, так как в природных водах ионы НСО₃^– связаны только с ионами Ca²⁺ и Mg²⁺.

Реактивы и оборудование

1. коническая колба емкостью 250 мл;

2. индикатор метиловый оранжевый;

3. индикатор фенолфталеин

4. 0,1Н раствор HCl.

К 50 мл испытуемой воды, отмеренной цилиндром в коническую колбу, приливают 2-3 капли фенолфталеина. Если окраска не появилась, то в колбу добавляют 2-3 капли метилоранжа и титруют 0,1 N - раствором соляной кислоты до перехода окраски из соломенно-желтой в оранжевую. Если же окраска по ф/ф появилась, то раствор надо оттитровать соляной кислотой 0,1 N до исчезновения окраски и затем уже ввести индикатор метилоранж. Суммарное количество кислоты, пошедшее на титрование, и есть общая щелочность воды. Титрование нужно вести на белом фоне. Общую щелочность воды находят по формуле 4:

мг-экв/л,

(4)

где: V – количество кислоты, израсходованной на титрование 50 мл воды, мл;

N – нормальность раствора кислоты.

Результаты определения Щ_о представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты определения общей щелочности исходной воды

	V, мл	Що, мг-экв/л	, мг-экв/л	, мг-экв/л
	1,5		0,1	0,01
	1,5		0,1	0,01
	1,4	2,8	0,2	0,04
Σ	4,4	8,8	0,4	0,06
Σ/3	1,47	2,9	0,13	0,02

мг-экв/л.

4. Определение общей и кальциевой жесткости воды

Определение жесткости проводят комплексонометрическим методом с двунатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (Трилоном Б, Na₂H₂R):

NaOOC – H₂C CH₂OOH

N – CH₂ – CH₂ – N

HOOC – H₂C CH₂OONa

Титрование проводят в щелочной среде в присутствии индикатора ( хромоген черный ЕТ-00, эриохром черный Т, кислотный хром темно-синий, точка эквивалентности при рН~10).

При титровании раствора трилоном Б происходит разрушение комплекса металла с индикатором (Me²⁺ [Ind]) и образование более прочного комплекса металла с Трилоном Б:

Me²⁺[Ind] + Na₂H₂R Na₂[ MeR ] + Ind + 2 H⁺,

где Me - Ca, Mg; R - радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты.

Условия применимости. Метод применим при минимальной жесткости ~0,05 мг-экв/л. При жесткости выше 20 мг-экв/л можно проводить титрование пробы 0,1 н раствором трилона Б. При жесткости от 0,5 до 20 мг-экв/л - 0,05 н. раствором трилона Б и при жесткости менее 0,5 мг-экв/л - применяется раствор концентрации 0,01 н.

Мешающие влияния. Определению жесткости мешают железо, цинк, медь, олово, марганец, так как применяемые индикаторы чувствительны к присутствию данных катионов. Для устранения мешающего влияния в пробу добавляют сульфид натрия, а в случае присутствия марганца - солянокислый гидроксиламин.

Реактивы и оборудование

1. буферный раствор (рН=10);

2. индикатор (хромоген черный ЕТ-00, эриохром черный Т, кислотный хром темно-синий);

3. трилон Б;

Проведение анализа

Определение общей жесткости. Для анализа берут пипеткой 50 мл пробы, 5 мл буферного раствора (рН=10) и 0,1–0,2 г индикатора. После перемешивания пробу титруют трилоном Б до перехода окраски из винно-красной до синей.

Общую жесткость пробы х, мг-экв/л, вычисляют по формуле:

где N – нормальность раствора трилона Б;

V – количество раствора трилона Б, израсходанного на титрование, мл.

Таблица 2 – Результаты определения общей жесткости исследуемой воды

	V, мл	Жо, мг-экв/л	, мг-экв/л	, мг-экв/л
	2,05	4,1	0,07	0,0049
	2,05	4,1	0,07	0,0049
	1,95	3,9	0,13	0,0169
Σ	6,05	12,1	0,27	0,0267
Σ/3	2,02	4,0	0,09	0,0089

мг-экв/л.

Кальциевая жесткость воды

Ион кальция в щелочной среде при рН>10 с мурексидом образует соединения, окрашенные в оранжево-розовый цвет. В этих условиях магний не титруется трилоном Б.

Для определения в колбу отбирают пипеткой 100 мл пробы, содержащей не более 15 мг кальция или меньшее количество пробы, разбавленное до 100 мл дистиллированной водой.

Реактивы и оборудование:

1. коническая колба емкостью 250 мл;

2. 2 н раствор NаОН;

3. индикатор мурексид;

4. 0,1 н раствор трилона Б.

Проведение анализа

В коническую колбу емкостью 250 мл вносят 50 мл исследуемой воды. Затем прибавляют 2 мл 2 н раствора NаОН, на кончике ложечки вносят в колбу немного сухого индикатора мурексида и медленно титруют 0,1 н раствором трилона Б при энергичном перемешивании до перехода окраски от красной до лиловой.

Расчет содержания иона Са²⁺ в воде производят по формуле

где V – количество раствора трилона Б в мл, израсходованное на титрование;
К – поправочный коэффициент к титру раствора трилона Б;

N– нормальность раствора трилона Б;

W – объем исследуемой воды в мл.

Таблица 3 – Результаты определения кальциевой жесткости воды

	V, мл	ЖСа, мг-экв/л
	0,8	1,6

5. Определение окисляемости исследуемой воды

Окисляемость – это величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых (при определенных условиях) одним из сильных химических окислителей. Этот показатель отражает общую концентрацию органики в воде. Природа органических веществ может быть самой разной – и гуминовые кислоты почв, и сложная органика растений, и химические соединения антропогенного происхождения. Величина окисляемости природных вод может варьироваться в широких пределах от долей миллиграммов до десятков миллиграммов О₂ на литр воды. Поверхностные воды имеют более высокую окисляемость по сравнению с подземными.

В колбу вместимостью 250 мл, предварительно «окисленную» перманганатом калия, наливают 20 мл исследуемой воды (затем доводят до объема 100 мл дистиллированной водой), добавляют 5 мл раствора серной кислоты (1:3), 10 мл 0,01 н раствора перманганата калия и кипятят 10 мин.

Затем колбу снимают с нагревательного прибора, приливают 10 мл 0,01 н раствора щавелевой кислоты (для разрушения КМnO₄, не вошедшего в реакцию с органическими веществами воды).

Обесцвеченный горячий раствор титруют 0,01 н раствором перманганата калия до появления слабо-розовой окраски. Количество перманганата калия, прилитое до кипения и пошедшее на окисление органических веществ в воде, учитывается при расчете.

Окисляемость определяют по формуле:

мг/л О₂

где: V₁ — объем 0,01 н раствора перманганата калия, прилитый до кипения, мл;

V_g — объем 0,01 н раствора перманганата калия, пошедший на окисление органических веществ исследуемой воды, мл;

К — поправочный коэффициент 0,01 н раствора перманганата калия;

8 — количество кислорода, выделяемое 1 мл 0,01 н раствором перманганата калия, мг;

1000 — коэффициент для пересчета в л;

W — объем исследуемой воды, мл.

Таблица 4 – Результаты определения окисляемости исследуемой воды

	V1, мл	Vg, мл	, мг/л О2
	2,8	0,2	10,4

II. Проведение пробного коагулирования исследуемой воды сернокислым алюминием, определение оптимальной дозы коагулянта.

Пробное коагулирование проводят в нескольких цилиндрах путем введения в них дозы коагулянта, близкой к расчетной, определенной по формуле (2):

мг/л.

В 4 мерных цилиндра наливают исследуемую воду. В первый цилиндр вводят расчетную дозу, во второй – на 25 мг/л больше расчетной, в третий – на 25 мг/л больше второго и в четвертый, соответственно, на 25 мг/л больше, чем в третий. После введения раствора коагулянта, воду в цилиндре тщательно перемешивают мешалкой 10–15 раз и оставляют в покое на 30 мин. Каждые 5 мин фиксируют изменение состояния обрабатываемой воды.

Результаты зафиксированы в Таблице 5.

Таблица 5 – Результаты проведения пробного коагулирования исследуемой воды

Наименование	Номер цилиндра
Доза коагулянта, мг/л
Количество 1 %–ного раствора коагулянта, мг/л		6,5		10,5
То же в пересчете на 0,5 л		3,25	4,5	5,25
Описание хода коагуляции через 5 мин	опалесценция	опалесценция	опалесценция	опалесценция
10 мин	опалесценция	образование микрохлопьев, поднимающихся вверх	образование микрохлопьев, поднимающихся вверх	образование микрохлопьев, поднимающихся вверх
15 мин	образование микрохлопьев	микрохлопья поднимаются вверх	микрохлопья поднимаются вверх	микрохлопья поднимаются вверх
20 мин	микрохлопья	начало агрегации хлопьев	микрохлопья поднимаются вверх	начало агрегации хлопьев
25 мин	микрохлопья	начало осаждения хлопьев	начало агрегации хлопьев	начало осаждения хлопьев, бурное осаждение
30 мин	начало агрегации, хлопья небольшие, агрегация слабая	осаждение хлопьев	начало осаждения хлопьев	осаждение замедленно

Наименьшая доза коагулянта, при которой получены наибольшие хлопья через 15 мин и наилучшее осаждение через 30 мин считается оптимальной. По данным критериям была выбрана воды в цилиндре №2. Эту дозу уточняют количественным контролем, для этого после 30–минутного отстаивания воду из цилиндра №2 фильтруют и в фильтре определяют показатели качества обработанной воды.

III. Определение показателей качества воды, полученной после коагулирования при оптимальной дозе сернокислого алюминия

Цветность воды составляет 20 град.

Активная реакция воды: рН = 6.

Результаты определения общей щелочности воды после коагулирования зафиксированы в таблице 6.

Таблица 6 – Результаты определения общей щелочности воды

	V, мл	Що, мг-экв/л
	0,85	1,7
	0,8	1,6
Σ	1,65	3,3
Σ/2	0,825	1,7

мг-экв/л.

Результаты определения общей жесткости воды после коагулирования зафиксированы в таблице 7

Таблица 7 – Результаты определения общей жесткости воды

	V, мл	Жо, мг-экв/л
	1,7	3,5
	1,7	3,5
Σ	3,4
Σ/2	1,7	3,5

мг-экв/л.

Результаты определения кальциевой жесткости воды после коагулирования зафиксированы в таблице 8.

Таблица 8 – Результаты определения кальциевой жесткости воды

	V, мл	ЖСа, мг-экв/л
	0,8	1,6

Результаты определения окисляемости воды после коагулирования зафиксированы в таблице 9.

Таблица 9 – Результаты определения окисляемости исследуемой воды

	V1, мл	Vg, мл	, мг/л О2
	2,5	0,2	9,2

В таблице 10 представлены результаты определения показателей качества воды до и после коагулирования.

Таблица 10 –Качественные показатели воды до и после коагулирования

Наименование воды	Наименование качественных показателей
Окисляемость, мг/л	Цветность, град	Щелочность, мг-экв/л	Жесткость, мг-экв/л	Кальциевая жесткость, мг/л	рН
Исходная вода	10,4				1,6
После коагулирования при Дк, 65 мг/л	9,2			3,5	1,6

ВЫВОД:

В результате процесса коагуляции сернокислым алюминием значительно снизилась цветность исходной воды, т.е. произошло осаждение коллоидных и взвешенных частиц. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» цветность исследуемой воды, щелочность и водородный показатель соответствуют питьевой воде, однако окисляемость снизилась недостаточно (не до 5 мг/л). Следовательно такая вода требует дополнительной очистки.

Был проведен он-лайн расчет по данным исходной воды. Экспериментальные данные щелочность, жесткость общая, жесткость кальциевая соответствуют теоретическому расчету. Окисляемость воды в эксперименте не снизилась на 60 % как в расчете в связи с тем, что была взята искусственно приготовленная вода с высокой цветностью и малой мутностью, окисляемость в такой воде не удается уменьшить с помощью коагуляции сернокислым алюминием.

ON-LINE РАСЧЕТ

Расчет производился с сайта http://twt.mpei.ru (Расчетный сервер МЭИ (ТУ)) → он-лайн расчеты «Водоподготовка» → задачи из учебного пособия «Водоподготовка в энергетике».