Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1. Вода в промышленности

1.2. Показатели качества воды. Водоподготовка

1.3. Жесткость воды

1.4. Методы определения жесткости

1.4.1. Обзор возможных методов

1.4.2. Обоснование комплексонометрического метода

1.5. Теоретические основы комплексонометрического метода

1.6. Методика определения жесткости воды комплексонометрическим методом

1.6.1. Сущность метода

1.6.2. Отбор проб

1.6.3. Реактивы и оборудование

1.6.4. Выполнение определения

1.6.5. Обработка результатов

1.7. Экспериментальные данные

2. Экономическая часть

3. Охрана труда и техника безопасности

Заключение

Литература  

ВВЕДЕНИЕ

В природных водах находится очень большое количество различных химических соединений. В процессе естественного кругооборота природные воды, находясь в контакте с воздухом и породами земной коры, обогащаются содержащимися в них веществами. Кроме того, в такие воды попадают продукты жизнедеятельности животных и растений. В ряде водоисточников вода дополнительно загрязняется отходами производственной деятельности людей. Непосредственное использование природных вод для промышленных и бытовых нужд является в большинстве случаев неприемлемым. Предъявляемые в промышленности требования к качеству потребляемой воды определяются специфическими условиями тех или иных технологических процессов. Так, например, многие производства (текстильное, кожевенное) не могут использовать жесткую воду, т.е. содержащую соли кальция и магния. Название жесткость воды возникло вследствии того, что промывание тканей в воде с высокой концентрацией ионов Ca и Mg делает волокна ломкими, неэластичными, словно жесткими. Это обусловлено образованием на волокнах кальциевых и магниевых солей жирных кислот, входящих в состав мыла, а также углекислых солей.

Особенно высокие требования к потребляемой воде предъявляет теплоэнергетическое производство.

Присутствие в воде значительного количества солей жесткости, делает воду непригодной для многих технических целей. При продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка может служить причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла.

Поэтому химический контроль ионов Са2+ и Mg2+ очень важен для ведения водно-химического режима работы теплоэнергетического оборудования.  

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Вода в промышленности

Вода обладает универсальными свойствами, благодаря чему применяется в качестве сырья, химического реагента, растворителя, тепло - и хладоносителя, в некоторых случаях как катализатор. Например, из воды получают водород, применяемый в производстве спиртов, анилина, моющих средств и т.п. Вода служит реагентом для получения кислот, щелочей и оснований, различных органических продуктов – спиртов, уксусного альдегида, фенола, в реакциях гидратации и гидролиза. Воду применяют в качестве растворителя твердых, жидких и газообразных веществ. Как теплоноситель и хладоагент вода используется для проведения экзо - и эндотермических процессов. Горячая вода и водяной пар имеют значительные преимущества перед другими теплоносителями: высокую теплоемкость и термическую стойкость, простоту регулирования температуры в зависимости от давления и пр.

В целях экономии воды применяют так называемую оборотную воду, т.е. многократно использованную и возвращенную в производственный цикл. Для экономии воды как тепло- и хладоносителя ее заменяют воздухом.

Природные воды подразделяют на атмосферные, поверхностные и подземные.

Атмосферная вода – дождевые и снеговые осадки – характеризуется небольшим содержанием примесей в виде растворенных газов. В этой воде почти полностью отсутствуют растворенные соли.

Поверхностные воды – реки, озера и моря – отличаются разнообразным составом примесей, содержат газы, соли, основания, кислоты. Наибольшее содержание минеральных примесей в морской воде (солесодержание более 10 г/кг).

Подземные воды – колодезные, ключевые, артезианские – характеризуются

различным составом растворенных солей, который зависит от состава и

структурных почв и горных пород. В подземных водах обычно отсутствуют примеси органического происхождения.

Морская вода и вода буровых скважин является богатым источником сырья химической промышленности.

1.2. Показатели качества воды. Водоподготовка

Основные показателями качества воды являются жесткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость и реакция воды.

Жесткость воды бывает временная, постоянная и общая. Временная (устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды при кипячении:

t

Са(НСО3)2 → CаСО3 + Н2О + СО2

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли при кипячении из воды не удаляются. Временная и постоянная жесткость дают в сумме общую жесткость, измеряемую количеством ионов кальция и магния, содержащихся в виде солей в 1 кг воды.

Общее солесодержание, или сухой остаток – это масса вещества, остающаяся после испарения воды и высушивания полученного остатка при 105 – 1100С в виде минеральных и органических примесей.

Прозрачность измеряется толщиной слоя воды, через который можно различить визуально или при помощи фотоэлемента изображение стандартных знаков.

Окисляемость воды характеризуется наличием в ней органических примесей и выражается массой кислорода, расходуемого на окисление веществ, содержащихся в 1 кг воды.

Реакция воды – кислотность и щелочность определяются концентрацией ионов водорода или значением рН. Реакция природных вод близка к нейтральной; рН колеблется в пределах 6,8 – 7,3.

Потребляемые воды в зависимости от назначения условно подразделяют на промышленные и питьевые.  

Питьевые воды в первую очередь освобождают от бактерий; к ним предъявляют особые требования в отношении вкуса, цвета, запаха. Эти требования установлены соответствующим стандартом.

Промышленные воды не должны содержать большого количества растворенных солей и механических примесей. Максимально допустимое содержание примесей регламентируется соответствующими ГОСТами, в зависимости от качества получаемых продуктов. Грубодисперсные, механические взвеси засоряют трубопроводы и аппараты, уменьшая их производительность, образуют пробки, которые могут вызвать аварию.

Огромный вред приносят растворенные в воде соли и газы, вызывающие образование накипи и поверхностное разрушение металлов вследствие коррозии. Накипь ухудшает теплообмен, приводит к перегреву труб, что влечет за собой преждевременный их износ. В текстильной промышленности соли, растворенные в воде, приводят к большому перерасходу мыла в процессе мойки. Потери мыла в жесткой воде достигают 80%.

Природную воду, поступающую в производство, подвергают очистке различными методами в зависимости от характера примесей и требований, предъявляемых к воде данным производством.

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды от механических примесей, растворенных солей и газов. Основными операциями являются: очистка от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрацией, умягчение и обессоливание воды, дегазация, обеззараживание.

Отстаивание от крупных частиц осуществляется в непрерывно действующих отстойниках большой емкости. От мелких частиц освобождаются фильтрацией. Для осаждения коллоидных частиц (мельчайших глинистых частиц и белковых веществ) их подвергают коагуляции путем введения коагулянта – сульфатов или двойных солей алюминия (алюмокалиевые квасцы). Ион – коагулянт должен иметь заряд, противоположенный заряду коллоидной частицы, чтобы он мог адсорбировать на поверхности заряженной частицы; это приводит к слипанию  

(коагуляции) отдельных частиц и образованию осадка.

Умягчение и обессоливание воды – это основные процессы водоподготовки, которые состоят в удалении солей кальция, магния и других металлов. Различают физические, физико-химические и химические способы умягчения воды.

Физические способы – термический (кипячение), дистилляция и вымораживание. Термическим способом удаляют соли временной жесткости. Дистиллированную воду, не содержащую солей, получают перегонкой на специальных дистилляционных установках. Она необходима для приготовления химически чистых реактивов, лекарственных препаратов, в лабораторной практике и т.п. Вымораживание основано на различии температур кристаллизации воды и примеси.

Физико-химические способы – электрохимические, основанные на применении электродиализа, электроосмоса, электрокоагуляции, и ионитовые (ионообменные), получившие широкое распространение.

Ионообменные способы основаны на удалении из воды ионов кальция и магния при помощи ионитов (труднорастворимых твердых веществ), способных обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в воде. Различают процессы катионного и анионного обмена, соответственно иониты называют катионитами и анионитами.

В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са2+ и Mg2+. Обмен ионов натрия называется Nа-катионированием, а ионов водорода – Н-катионированием:

2Na+ + Са(НСО3)2 →← Са2+ + 2NаНСО3

2Nа+ + MgSO4 →← Mg2+ + Nа2SО4

2Н+ + MgCl2 →← Mg2+ + 2HCl

H+ + NaCl →← Na+ + HCl

Приведенные реакции показывают, что ионообменным способом достигается

полное обессоливание воды (умягчение и обессоливание).

Реакции ионообмена обратимы, и для восстановления обменной способности ионитов проводят процесс регенерации. При помощи растворов поваренной соли

осуществляют регенерацию Nа – катионитов, при помощи минеральных кислот – Н-катионитов.

Са2+ + 2NaCl →← 2Na++ СаCl2

Na+ + HCl →← H+ + NaCl

Примером анионного обмена может служить реакция обмена анионов ОН— по уравнению:

ОН¯ + HCl →← Cl¯ + Н2О

Регенерацию анионита проводят при помощи растворов щелочей:

Cl¯ + NaОН →← ОН¯ + NaCl

Из электрохимических способов значительный интерес представляет электрокоагуляция. Сущность ее состоит в получении электрохимическим путем гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям. Процесс осуществляют в электролизерах. К достоинствам способа электрокоагуляции относят: высокую сорбционную способность электрохимического Аl(ОН)3, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.

Химический способ умягчения воды заключается в обработке ее растворами некоторых химических соединений с целью связывания ионов Са2+, Mg2+ и других в нерастворимые и легко удаляемые соединения.

Дегазация – это удаление из воды растворенных газов СО2, О2. Газы, содержащиеся в воде, представляют опасность из-за образования воздушных пробок, которые могут привести к нарушению технологического процесса. Растворенные газы могут вызывать коррозию аппаратов и трубопроводов. Дегазацию проводят химическим и физическим способами. Например, для удаления СО2 воду пропускают через фильтр, заполненный гашеной известью, или добавляют к воде известковое молоко: СО2 + Са(ОН)2 = СаСО3↓ + Н2О. Для удаления О2 применяют фильтр, заполненный железными опилками, стружками.

Физические способы дегазации сводят к частичному удалению газов из воды при ее нагревании паром или нагревании воды в вакууме.

Обеззараживание воды, используемых для бытовых нужд, производят с целью

уничтожения болезнетворных бактерий и окисления органических примесей.

Обеззараживание осуществляют хлорированием (газообразным хлором), а также хлорной известью и гипохлоритом кальция.

1.3. Жесткость воды

Ввиду широкой распространенности кальция, соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако, если вода содержит диоксид углерода, то карбонат кальция тоже может переходить в раствор в виде гидрокарбоната Са(НСО3)2.

Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей кальция и магния, называется жесткой водой в противоположность мягкой воде, содержащей мало солей кальция и магния или совсем не содержащей их.

Суммарное содержание этих солей в воде называется ее общей жесткостью. Она подразделяется на карбонатную и некарбонатную жесткость. Первая из них обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния, вторая – присутствием солей сильных кислот – сульфатов или хлоридов кальция и магния. При длительном кипячении воды, обладающей карбонатной жесткостью, в ней появляется осадок, состоящий главным образом из СаСО3, и одновременно выделяется СО2. Оба эти вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция:

Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О

Поэтому карбонатную жесткость называют также временной жесткостью. Количественно временную жесткость характеризуют содержанием гидрокарбонатов, удаляющихся из воды при ее кипячении в течение часа. Жесткость, остающаяся после такого кипячения, называется постоянной жесткостью.

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в разных водоемах, а в одной и той же реке изменяется в течение года.

Присутствие в воде значительного количества солей кальция или магния делает воду непригодной для многих технических целей. Так, при продолжительном питании паровых котлов жесткой воды их стенки постепенно  

покрываются плотной коркой накипи. Такая корка уже при толщине слоя в 1 мм сильно понижает передачу теплоты стенками котла и, следовательно, ведет к увеличению расхода топлива.

Кроме того, она может служить причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла.

Жесткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например при крашении.

Приведенные выше примеры указывают на необходимость удаления из воды, применяемой для технических целей, солей кальция и магния. Удаление этих солей, называемое водоумягчением, входит в систему водоподготовки – обработки природной воды, используемой для питания паровых котлов и для различных технологических процессов.

В ходе водоподготовки вода освобождается от грубодисперсных и коллоидных примесей и от растворенных веществ. Взвешенные и коллоидные примеси удаляют коагуляцией их добавляемыми к воде солями (обычно Al2(SО4)3) с последующей фильтрацией.

Для водоумягчения применяют методы осаждения и ионного обмена. Путем осаждения катионы Са2+ и Mg2+ переводят в малорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Это достигается либо кипячением воды, либо химическим путем – введением в воду соответствующих реагентов. При кипячении гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в СаСО3 и Mg(ОН)2

Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О

Mg(НСО3)2 = Мg(ОН)2↓ + 2СО2↑

в результате чего устраняется только карбонатная жесткость.

При химическом методе осаждения чаще всего в качестве осадителя пользуются известью или содой. При этом в осадок (также в виде СаСО3 и Мg(ОН)2) переводят все соли кальция и магния.

Для устранения жесткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита. При этом катионы Са2+ и Mg2+, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Nа+, содержащиеся в применяемом катионе. В  

некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Са2+ и Mg2+, но и другие катионы и анионы.

Для устранения жесткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита. При этом катионы Са2+ и Mg2+, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Nа+, содержащиеся в применяемом катионе. В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Са2+ и Mg2+, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н – катионит), и анионит, содержащий гидроксид – ионы (ОН – анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется ее обессоливанием.

Содержание кальциевых и магниевых соединений в литре воды, выраженное в мг-экв или мкг-экв, носят название жесткости воды. Такое название возникло вследствии того, что промывание тканей в воде с высокой концентрацией ионов Ca и Mg делает волокна ломкими, неэластичными, словно жесткими. Это обусловлено образованием на волокнах кальциевых и магниевых солей жирных кислот, входящих в состав мыла, а также углекислых солей.

1.4. Методы определения жесткости

1.4.1. Обзор возможных методов

Для определения жесткости могут быть использованы:

а) визуально-колориметрический метод, пригодный для анализа воды с очень малой жесткостью порядка десятых долей микрограмм – эквивалента в литре;

б) объемный олеатный метод,применяемый относительно редко, обычно в тех случаях, когда трилонатный метод оказывается неэффективным.

в) кислотно-основное титрование.

Колориметрический метод

Этот метод основан на различной интенсивности окраски хром темно – синего в зависимости от концентрации ионов Са2+ и Mg2+ в анализируемой воде и может быть использован для быстрого определения малых жесткостей воды (от 10 мкг – экв/л).  

Олеатный метод

Этот метод основан на малой растворимости олеатов кальция и магния. Поэтому добавление раствора олеата калия к анализируемой пробе воды и ее взбалтывание вызывает сначала осаждение всех содержащихся в воде ионов кальция

и магния в виде олеата, и лишь затем избыток олеата калия приводит к образованию

устойчивой пены, что и служит признаком окончания титрования.

Минимальное количество олеата, уже вызывающее при взбалтывании пробы воды появление пены, зависит от концентрации в ней ионов кальция и магния. Эта зависимость не имеет характера прямой пропорциональности и является более сложной, что указывает на отсутствие простых стехиометрических соотношений при взаимодействии олеата калия с ионами щелочноземельных металлов.

Отсутствие стехиометрической закономерности не является, однако, препятствием для использования олеатного метода в целях определения жесткости, так как при соблюдении точного оговоренных условий в отношении температуры титруемой жидкости, ее объема, величины рН, частоты и интенсивности взбалтывания, характера пены, скорости прибавления олеатного раствора и т.д. можно получать этим методом хорошо воспроизводимые результаты.

Олеатный метод определения жесткости применим для анализа вод, жесткость которых не превышает 0,5 мг–экв/л. Наименьшая жесткость, которая может быть достаточно надежно зафиксирована олеатным методом, составляет 2 мкг – экв/л. Таким образом, чувствительность этого метода практически такая же, как и трилонометрического.

Метод кислотно-основного титрования

В основе кислотно-основного титрования в водных растворах лежат реакции взаимодействия между кислотами и основаниями:

Н+ + ОН– = Н2О

С помощью этого метода прямым титрованием можно определить концентрацию кислоты или основания или содержание элементов, образующих