≡×МЕНЮ

• Кесарів розтин
• Календар щеплень
• Аналізи крові
• Післяпологовий період
• Підготовка до пологів

Велика енциклопедія нафти та газу. Типи хімічного аналізу води під час гідрогеологічних досліджень. Хімічні класифікації типів підземних вод

Вступ
1 Основи гідрогеології
1.1 Лабораторна робота «Склад та властивості підземних вод»
1.2 Лабораторна робота «Побудова карток гідроізогіпс. Визначення напрямку фільтраційного потоку»
1.3 Лабораторна робота «Визначення параметрів водоносних горизонтів за даними відкачування зі свердловин. Розрахунки водоприток до свердловин та гірничих виробок»
2 Основи інженерної геології
2.1 Лабораторна робота «Визначення водних властивостей ґрунтів»
2.2 Лабораторна робота «Обчислення класифікаційних показників ґрунтів»
3 Інженерно-геологічна картка. Побудова інженерно-геологічних розрізів. Оцінка інженерно-геологічних умов території
3.1 Лабораторна робота «Побудова геологічної колонки свердловини»
3.2 Лабораторна робота «Побудова інженерно-геологічного розрізу за даними свердловин»
Список літератури
Додаток А
Додаток Б
Додаток
Додаток Г
Додаток Д

ВСТУП

Лабораторні заняття з курсу «Гідрогеологія та інженерна геологія» є дуже важливою і складною частиною цього курсу. Вони мають своїм завданням ознайомити студентів спеціальності 050706 – «Геологія та розвідка родовищ корисних копалин» з умовами формування хімічного складу підземних вод, основами розрахунків, що визначають рух підземних вод у природних умовах та за відкачування води зі свердловин. У методичних вказівках викладено відомості про інженерно-геологічні та гідрогеологічні карти та розрізи. Дано основні прийоми гідрогеологічної та інженерно-геологічної оцінки територій родовищ корисних копалин.

ОСНОВИ ГІДРОГЕОЛОГІЇ

Лабораторна робота «Фізичні властивості та хімічний склад підземних вод»

1.1.1 Теоретична частина

Властивості та хімічний склад підземних вод

Вода є хімічною сполукою водню (11,11%) і кисню (88,89%). Показниками фізичного стану та властивостей підземних вод є: температура, прозорість, колір, запах, смак, щільність, стисливість, в'язкість, електропровідність, радіоактивність.

Склад підземних вод відображає історію геологічного розвитку Землі, умови взаємодії їх з гірськими породами, органічною речовиною, мікроорганізмами газами, характер та інтенсивність антропогенних впливів на геологічне середовище.

У природних водах тією чи іншою мірою розсіювання присутні понад 60 із відомих стійких елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва. До складу підземних вод входять: іони, недисоційовані молекули, колоїди, органічні речовини та мікроорганізми, нерозчинені зважені частки, гази.

Серед іонів розрізняють: макрокомпоненти, що включають елементи та комплексні сполуки, що становлять основу підземних вод; мікрокомпоненти, що включають елементи або сполуки у кількості менше 10, рідко 100 мг/л; ультрамікрокомпоненти (Rb, Au, Hg), вміст яких рідко перевищує 0,1 мг/л.

Макрокомпоненти (О, Ca, Mg, Na, K, Cl, S) становлять основну частину мінерального складу природних вод. У прісних водах міститься понад 90-95% макрокомпонентів, у високомінералізованих понад 99%. Мікрокомпоненти (Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ba) не визначають хімічний тип води, проте значно впливають на специфічні особливості їх складу.

Типізація та класифікація підземних вод за хімічним складом проводиться за макрокомпонентами. В одній із класифікацій (О.А. Альохіна) підземні води поділені на класи, групи та типи залежно від переважаючих іонів та співвідношень між головними іонами (Додаток В).

Води першого типу – маломінералізовані, другого – мало- та середньомінералізовані (підземні води, води річок та озер), третього типу – сильномінералізовані (води океанів, морів, реліктові води), четвертого типу – кислі.

З недисоційованих сполук у підземних водах поширені SIO 2 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , з газів – O 2 , H 2 S, CO 2 , H 2 , CH 4 та важкі вуглеводні (етан, пропан, бутан).

Для виявлення хімічного складу виконують хімічні аналізи підземних вод (польові, скорочені, повні та спеціальні). Вибір типу аналізу визначається цільовим призначенням та необхідною точністю визначень.

Сума мінеральних речовин, виділених із води з допомогою хімічних аналізів, визначає її хімічну мінералізацію. Величину мінералізації оцінюють по сухому залишку, одержуваному шляхом випарювання та висушування проби води або за сумою іонів, визначених хімічним аналізом. Загальна мінералізація підземних вод змінюється від кількох десятків мг на літр до 650 г/л.

При зіставленні цілого ряду аналізів, з'ясуванні генези вод зручно висловлювати аналізи як запропонованого Н.І. Толстіхіним графіка-квадрата, іноді комбінованого з трикутником Ферре (Додаток Г).

У практиці виробничих лабораторій позначення одиничних хімічних аналізів широко використовуються формули М.Г. Курлова, І.Ю. Соколова.

Формула Курлова записується як псевдодроби:

А; М рH; Т; Q,

де А- специфічний елемент, що міститься у воді, мг/л; М- загальна мінералізація, г/л; Т- Температура води, про З; Q- Витрата джерела (дебіт свердловини), м 3 /сут.

Аніони та катіони виражають у відсотках у спадному порядку їх утримання; іони із вмістом менше 10 у формулі не враховуються.

Оцінка якості води для питних цілей проводиться у разі ГОСТ 2874-82, визначальним межі допустимих концентрацій (ГДК) тих чи інших компонентів у воді. Як гранично допустима, приймається концентрація окремих компонентів, яка повністю виключає шкідливий вплив на організм людини.

Органічні домішки встановлюються за окислюваністю - кількість кисню або марганцієво-кислого калію, що витрачається на окислення цих домішок. У питній воді окисленістьмає бути не більше 10 мг/л.

Про концентрацію мікроорганізмів судять за результатами аналізів, що визначають кількість бактерій у даному обсязі рідини. Загальна кількість бактерій в 1 см 3 води не повинна перевищувати 100. Найважливіший показник бактеріальної чистоти води. коли-титр - кількість води, що містить одну кишкову паличку. Для водопостачання придатна вода з колі-титром 300.

Жорсткість води

Жорсткістю оцінюється можливість використання води для господарсько-питних цілей. Вона залежить від присутності Ca 2+ та Mg 2+ . Розрізняють загальну жорсткість, пов'язану із вмістом у воді всіх солей кальцію та магнію; карбонатну (тимчасову), пов'язану з наявністю бікарбонатів кальцію та магнію; постійну, що залишається після видалення бікарбонатів. Жорсткість води оцінюють в мг екв/л Ca та Mg. 1 мг екв/л відповідає змісту 20,04мг/л Ca або 12,16мг/л Mg . Жорсткість природних вод змінюється від кількох до десятків сотень мг екв/л.

Лужність води

Наявність у воді гідратів натрію, карбонатів та бікарбонатів натрію визначає її лужність. Розрізняють гідратну, карбонатну, бікарбонатну, фосфатну та силікатну лужності.

Концентрація іону водню (pH води)

Концентрацією водневих іонів оцінюється рівень кислотності води. При нейтральній реакції води рН= 7, при кислій – менше 7, при лужній – більше 7. Для вираження концентрації водневих іонів прийнято користуватися логарифмом концентрації їх (тобто кількості грам еквівалентів цього іону в 1 л води), взятим із зворотним знаком:

pН= - lg(Н+)

Оцінка агресивних властивостей води

Агресивною є вода, що містить понад допустиму кількість сульфати та агресивну вуглекислоту. Вода, що руйнує дію, може надавати на бетон у вигляді: кристалізації в бетоні нових сполук зі збільшенням його об'єму або вилуговування з бетону його складових частинрозчинних у воді. І те, й інше призводить до руйнування бетону.

Сульфатна агресіяспостерігається за наявності у воді сульфатів SО 4 2- понад 250 мг/лі одночасному змісті іона Cl - понад 1000 мг/л. При цьому у бетоні утворюється гіпсзі збільшенням обсягу в 2-3 рази та сульфат-алюмінат кальцію – бетонна бацилаіз збільшенням обсягу у 2,5 рази.

При вуглекислій агресіївідбувається розчинення та вилуговування вапна CaSO 4 , що становить основу цементу.

Агресивність вилуговування – агресія за тимчасовою (бікарбонатною) жорсткістю. Якщо вміст лугу менше 1,5 мг екв/л, відбувається розчинення та вимивання з бетону вапна.

Загальнокислотна агресіяобумовлена ​​низькими значеннями водневого показника рН (менше 7 при тимчасовій жорсткості менше 8,6 мг екв/лі менше 6-7 при тимчасовій жорсткості понад 8,6 мг екв/л), що викликає посилене розчинення вапна.

Магнезіальна агресіяпризводить до руйнування бетону при проникненні в нього води з вмістом Mg +2 більше 1000 мг екв/л.

1.1.2 Завдання для лабораторних робіт

Завдання 1

Хімічним аналізом встановлено наведену концентрацію водневих іонів. Визначте рН та найменування води за його значенням відповідно до варіанта таблиці 1.

Таблиця 1 - Вихідні дані до завдання 1

10 -7	10 -9	10 -4	10 -5	10 -6	10 -7	10 -9	10 -5	10 -4	10 -2	10 -9

Н+ = 10 -5 г-моль/л

Знайти: рН, найменування води

Для вираження концентрації водневих іонів прийнято користуватися логарифмом їх концентрації, взятим зі зворотним знаком pН= - lg (Н+), отже pН= - lg (10 -5) = 5.

Для відповіді використовуйте класифікацію води за значенням показника водню (додаток А).

Висновок: за величиною pH- Вода кисла.

Завдання 2

Використовуючи результати хімічного аналізу підземної води, наведені у таблиці 2, визначте її клас, групу та тип за класифікацією О.А. Алекіна та номер води за графіком-квадратом Н.І. Толстихіна.

Таблиця 2 - Вихідні дані до завдання 2

№ варіанта	Зміст іонів, мг екв/л
HCO 3 -	SO 4 2-	Cl -	Na +	Ca 2+	Mg 2+
	5,79	2,62	4,74	10,74	0,40	2,14
	5,00	1,56	1,64	5,22	2,46	0,46
	6,32	10,42	1,86	3,67	12,29	2,60
	2,31	3,67	5,14	2,42	6,07	2,63
	2,87	0,12	0,39	0,26	2,30	0,82
	2,45	4,11	0,54	5,62	3,21	0,68
	-	3,43	60,69	52,94	1,23	5,10
	5,79	2,45	1,65	3,21	2,13	3,422
	2,62	6,51	6,24	2,13	4,12	3,54
	4,74	4,32	2,34	1.24	2,56	2,45
	15,25	4,32	3,12	5,22	0,87	0,98
	2,30	2,34	3,12	3,72	1,28	0,76
	2,86	5,24	0,96	2,34	2,69	1,25
	-	4,12	60,68	51,23	5,43	4,91
	6,33	1,26	1,23	0,34	5,23	2,13
	2,56	2,34	3,24	5,34	4,90	2,14
	5,46	3,42	6,45	3,56	5,01	1,24
	4,78	1,32	2,34	5,12	4,32	5,12
	3,65	1,53	5,43	3,21	1,09	2,34
	7,65	2,31	6,12	4,21	1,34	1,80
	2,55	3,12	2,67	1,23	2,09	1,09

Приклад вирішення задачі для варіанта №0

HCO 3 - = 5,79 мг екв/л;

SO 4 2- = 2,62 мг екв/л;

Cl - = 4,74 мг екв/л;

Na + = 10,74 мг екв/л;

Ca 2+ = 0,40 мг екв/л;

Mg 2+ = 2,14 мг екв/л;

Найменування води за класифікацією О.А. Алекіна та номер води за графіком-квадратом Н.І. Толстихіна

Виразіть хімічний склад води у % екв. Сума катіонів та аніонів кожна окремо приймається рівною 100%. Далі розраховується % екв кожного аніону та катіону.

Сума аніонів-13,15 мг екв/л – 100%, 5,79 мг екв/л HCO 3 - дорівнює 5,79 ´ 100% і поділити на 13,15. Так само 44%. Дані заносять до таблиці 3.

Таблиця 3 – Хімічний склад підземних вод

Потім за програмами В, Г визначте найменування та номер.

Висновок: за класифікацією О.О. Алекіна вода відноситься до класу – гідрокарбонатної, групи – натрієвої, I типу (HCO 3 - > Ca 2+ + Mg 2+). По Н.І. Толстихіну №58.

Завдання 3

Запишіть наведені нижче таблиці 4 результати хімічного аналізу підземної води як формули М.Г. Курлова. Визначте вид жорсткості та дайте найменування води з урахуванням інформації, отриманої внаслідок хімічного аналізу.

Таблиця 4 - Вихідні дані до завдання 3

№ варіанта	Сухий залишок	рН	Температура, про З	Зміст іонів, мг/л
HCO 3 -	SO 4 2-	Cl -	Na +	Ca 2+	Mg 2+
		7,3
		8,3
		7,6
		8,4						-
		7,9
		7,0
		6,6
		3,1		-
		2,3
		4,5
		6,4
		7,5
		8,6
		9,7
		8,5
		7,6
		8,5		-
		4,5
		3,7
		8,4
		4,6

Приклад вирішення задачі для варіанта №0

М = 1000 мг/л;

рН = 7,3;

Т = 12 про З;

HCO 3 - = 930 мг/л;

SO 4 2- = 76 мг/л;

Cl - = 24 мг/л;

Na + = 81,09 мг/л;

Ca 2+ = 194 мг/л;

Mg 2+ = 45 мг/л;

Знайти: вид жорсткості, написати формулу Курлова, найменування води

Теоретичні суми аніонів і катіонів, виражені в мг-еквформі повинні бути рівні, тому для вирішення задачі необхідно перерахувати дані аналізу з мг/лв мг-екв/л, використовуючи перерахункові коефіцієнти (Додаток Б). Результати обчислень записують у таблицю 5 і підсумовують вміст катіонів та аніонів. Далі виражають хімічний склад води в %-еквформі.

Таблиця 5 – Хімічний склад підземних вод

Формула М.Г. Курлова є дробом (хибним), у чисельнику якого записують аніонний склад води (у %-екв) у спадному порядку, а в знаменнику - катіонний. Запис іонів із вмістом менше 10%-екв не провадиться. Перед дробом записують вміст газів та специфічних елементів, якщо вони є у воді та загальну мінералізацію Мв г/л, після дробу вказують температуру води та дебіт джерела або свердловини. Назва води записують через рисочку: спочатку аніонний, потім катіонний склад.

В даному випадку формула має вигляд:

М 1,0 tº12, pH 7,3

Загальну жорсткість визначають як суму катіонів кальцію та магнію, виражених у мг-екв/л: 9,68+3,70=13,38 мг-екв/л. За цим показником вода класифікується як дуже тверда (додаток А).

Враховуючи загальну мінералізацію, хімічний склад, вміст іонів водню (рН), температуру та обчислену жорсткість, остаточно дають воді найменування за додатком А.

Висновок: вода прісна, гідрокарбонатна кальцієво-натрієво-магнієва, холодна, лужна, дуже тверда.

Хімічні компоненти природних вод ділять на 6 груп:

головні іони;

Розчинені гази;

Розчинені органічні речовини;

Мікроелементи;

Біогенні речовини;

Токсичні елементи.

Іноді виділяють ще одну групу – завислі речовини.

Головні іони . У значних кількостях у природних водах присутні іони: Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , HCO 3 – (CO 3 2–) , SO 4 2– , Cl – , які називають головними іонами. Зміст їх у прісних водоймах змінюється у межах.

Експериментально встановлено, що у відкритому океані, незалежно від абсолютної концентрації співвідношення між головними іонами основного сольового складу, залишаються приблизно постійними.

Запропоновано підрозділяти всі природні води за переважним аніоном на три класи:

Гідрокарбонатні (карбонатні);

Сульфатні;

Хлоридні.

Кожен клас з переважного катіону поділяється на три групи:

Кальцієву;

Магнієву;

Натрієву.

Гідрокарбонатний та карбонатний іониє найважливішою складовоюіонного складу прісних та маломінералізованих природних вод суші. З'являються ці іони у воді внаслідок розчинення солей вугільної кислоти – карбонатів кальцію та магнію.

Солі СаСО 3 і MgCO 3 важко розчиняються у воді і можуть перейти в розчин тільки в присутності вуглекислого газу

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

Іони НСО 3 – , СО 3 2– , Са 2+ , Н + та Н 2 СО 3 знаходяться між собою у розчині у певних кількісних відносинах, що визначаються константою дисоціації вугільної кислоти за першим та другим ступенем (К 1 = 3 . 10 – 7 , До 2 = 4. 10 - 11). Ці іони та вугільна кислота утворюють карбонатну систему хімічної рівноваги, тобто. зміна змісту однієї з них тягне у себе зміна змісту іншого, що має значення підтримки реакції середовища у природних водах.

Хлорид – іони зазвичай займають перше місце серед аніонів у воді океанів, морів, сильно мінералізованих озер, менше їх у воді рік. Джерела хлорид-іонів у воді – продукти вивітрювання магматичних порід, у яких хлор присутній у розсіяному стані, колосальні поклади хлористих солей осадових порід, вулканічні викиди. Широкому поширенню хлоридів у природних водах суші значною мірою сприяє діяльність людини,т.к. велике промислове та фізіолобіологічне значення NaCl сприяє розсіюванню його по земній поверхні. Іони Cl – не засвоюються рослинами та бактеріями та виділяються у вільному стані організмами тварин, тому кругообіг їх у земній корі нескладний. Підвищений вміст хлоридів погіршує смакові якості води, робить її малопридатною для питного водопостачання та обмежує застосування для інших цілей. Концентрація хлоридів та її коливання можуть бути одним із критеріїв забрудненості водоймища господарсько-побутовими стоками.

Сульфат – іонитакож найважливіші аніони природної води разом із хлорид-ионами становлять головну частину аніонного складу води морів і сильно мінералізованих озер. Вміст сульфат-іонів у природних водах лімітується присутністю у воді катіонів Са 2+ , які утворюють з сульфат-іонами малорозчинну сполуку CaSO 4 .

Основними джерелами розчинених у воді сульфатів є різні осадові породи, до складу яких входить гіпс СаSO4. 2H 2 O. Джерелами сульфат-іонів у природній воді служать і процеси окислення самородної сірки, що протікають за рівнянням

2S + 3 O 2 + 2 H 2 O = 2 H 2 SO 4 ,

а також окислення широко поширених у земній корі сульфідних сполук.

Сульфат-іони є стійкими. За відсутності кисню сульфати можуть бути відновлені зазвичай під дією сульфатредукуючих бактерій, виявлених у морях та у водах нафтоносних родовищ, до сірководню. Сірководень, що виходить у процесі відновлення сульфатів, надалі при зіткненні з повітрям знову окислюється спочатку до сірки.

2 H 2 S + O 2 = 2 H 2 O + 2 S,

а потім до сульфатів.

Підвищений вміст сульфатів у воді погіршує органолептичні властивості. Сульфати можуть надавати воді проносні властивості, тому їх зміст суворо регламентується.

При значному вмісті у воді хлоридів та сульфатів є причиною її агресивності по відношенню до бетону. Так, сульфат-іони можуть взаємодіяти з вапном цементу з утворенням гіпсу, що викликає збільшення обсягу та утворення тріщин у бетоні. Присутність у воді значної кількості хлоридів призводить до вилуговування та руйнування бетонного каменю внаслідок утворення розчинних хлоридів кальцію та магнію.

Іони лужних металів. З іонів лужних металів у природних водах у найбільших кількостях знаходяться іони Na ​​+, значно менших – іони К + . Подібно до хлорид-іонів, іони Na ​​+ є характерними іонами сильномінералізованих вод.

Найважливішим джерелом катіонів натрію в природних водах є його поклади у вигляді хлористих солей, що знаходяться серед різних осадових порід морського, а посушливих районах і континентального походження.

2.4 Визначення аніонного складу стічних вод

У переважній більшості випадків сольовий склад природних вод визначається катіонами Са 2+ , Мg 2+ , Nа + , К + та аніонами НСO 3 - , Сl - , SO 4 2- . Ці іони називаються головними іонами води чи макрокомпонентами; вони визначають хімічний тип води. Інші іони присутні у значно менших кількостях і називаються мікрокомпонентами; вони визначають хімічний тип води.

По переважаючому аніону води поділяються на три класи: гідрокарбонатні, сульфатні та хлоридні. Води кожного класу діляться, у свою чергу, за переважаючим катіоном на три групи: кальцієву, магнієву та натрієву.

У природних водах є також розчинені гази. В основному це гази, які дифундують у води з атмосфери повітря, такі як кисень, вуглекислий газ, азот. Але в той же час у підземних водах або водах нецентралізованих джерел водопостачання, у мінеральних та термальних водах можуть бути сірководень, радіоактивний газ радон, а також інертні та інші гази.

Існує кілька методів визначення аніонного складу води.

Метод комплексонометричного титрування

Визначення багатьох аніонів засноване на осадженні їх малорозчинних сполук титрованим розчином будь-якого катіону, надлишок якого потім відтитрується ЕДТА. Сульфат за цією методикою беруть в облогу у вигляді BaSO 4 хлоридом барію і наступним комплексонометричним титруванням надлишку іонів Ba 2+ за спеціальною методикою. Фосфат осаджують у вигляді MgNH 4 PO 4 і кількість магнію, що залишилася в розчині, визначають комплексонометрично.

Хроматографія

Іонна хроматографія – метод якісного та кількісного визначення іонів у розчинах. Він дозволяє визначати неорганічні та органічні аніони, катіони лужних та лужноземельних металів, катіони перехідних металів, аміни та інші органічні сполукиу іонній формі. У всьому світі іонна хроматографія використовується найчастіше інших методів, забезпечуючи виявлення безлічі компонентів у будь-якій воді. Для проведення аналізів використовують іонні хроматографи. Основним елементом будь-якого хроматографа є аналітична колонка, що розділяє. Аналіз таких неорганічних аніонів, як фторид, хлорид, нітрит, нітрат, сульфат та фосфат, методом іонної хроматографії багато років є найпоширенішим у всьому світі. Крім іонохроматографічних колонок для визначення основних не органічних аніонів розроблені та успішно застосовуються високоефективні колонки, поряд зі стандартними аніонами вони виявляють і оксианіони такі як оксихаліди: хлорит, хлорат, бромат та ін.

Аргентометрія.

Аргентометрія (від лат. argentum - срібло і грец. metreo - вимірюваю), титриметричний метод визначення аніонів (Hal - , CN - , PO 4 3- , CrO 4 2- та ін), що утворюють малорозчинні з'єднання або стійкі комплекси з іонами Ag + Досліджуваний розчин титрують стандартним розчином AgNO3 або надлишок останнього, введений в аналізований розчин, відтитрують стандартним розчином NaCl (т. зв. зворотне титрування).

У методі Мора індикатором служить розчин К 2 СrО 4 утворює з Ag + при рН 7-10 осад Ag 2 CrO 4 червоного кольору; метод застосовний визначення хлоридів і бромидов. У методі Фаянса застосовують адсорбційні індикатори (флуоресцеїн, еозин), які адсорбуються на поверхні осаду, змінюючи колір. Для визначення галогенідів найчастіше застосовують метод Фольгарду. У цьому випадку до досліджуваного розчину додають надлишок розчину AgNO 3

Визначення гідрокарбонат-іонів

При одночасному присутності у воді іонів HCO 3 - і CO 2 - визначення ведуть в одній пробі, нейтралізуючи робочим розчином соляної кислоти лужність, що створюється цими іонами. Лужністю називають вміст у питній воді речовин, які у реакцію із сильними кислотами, тобто. з іонами водню. Витрата кислоти виражає загальну лужність. У звичайних природних водах лужність залежить, як правило, лише від гідрокарбонат-іонів лужноземельних металів. І тут значення рН води вбирається у 8,3. Загальна лужність практично тотожна карбонатної жорсткості і відповідає вмісту гідрокарбонатів.

Карбонат іони містяться в лужних водах. Зазвичай Питна водане містить карбонатів. На це вказує на відсутність рожевого забарвлення від додавання до проби фенолфталеїну. У цьому випадку у воді визначають лише гідрокарбонати титруванням кислотою у присутності метилоранжу.

Визначення нітритів

Присутність у незабруднених поверхневих водах нітритних іонів пов'язана головним чином із процесами мінералізації органічних речовин та нітрифікації. Амонійні іони під дією особливого виду бактерій окислюються до нітритних іонів:

NH 4 + + OH - + 2/3O 2 = H + + NO 2 - + 2 H 2 O

У поверхневих водах нітритний азот знаходиться головним чином нітритних іонів. У кислих водах може бути деяка кількість HNO 2 . Нітрити не мають сильно вираженої здатності до комплексоутворення.

Реакція взаємодії діазонітрованої в присутності нітритів сульфанілової кислоти з ароматичними амінами є однією з найчутливіших реакцій, за допомогою яких можуть бути виявлені малі (одиниці мкг/л) кількості нітритних іонів. Нітритні іони - нестійкі речовини, визначення яких має проводитися незабаром після відбору. Проби заздалегідь фільтрують через мембранний фільтр 0,45 мкм. Якщо аналіз не може бути виконаний негайно, пробу консервують додавання 2-4 мл хлороформу на 1 л води та зберігають при температурі 3-5 про С протягом 1-3 діб.

Висновок

1. Курсова робота включає пояснювальну записку, викладену на 38 сторінках, що містить 3 таблиці та графічну частину на форматі А1, що містить блок-схему ідентифікації невідомої речовини та криву титрування.

2.Вивчено основні прийоми та методи якісного та кількісного аналізу. Відповідно до них проведений аналіз виданого зразка. Показано, що аналізований зразок є сумішшю двох солей Pb(NO 3) 2 і (CH 3 COO) 2 Pb.

3.Розглянуто методи титриметричного аналізу. Докладніше розглянуто метод комплексонометричного титрування.

Здійснено розрахунок та побудову кривої титрування методом комплексонометричного титрування -0,05 M ZnCl 2 0.025M Na 2 H 2 Y, рН 9,С(NH 3)=0.1 моль/л. Аналітична характеристика кривої титрування: показано, що крива титрування має явний перегин поблизу точки еквівалентності, що дає підстави можливість застосування даного методу аналізу (для заданих умов). Крапка еквівалентності відповідає значенню рZn = 4.7. В області точки еквівалентності відбувається різка зміна концентрації іонів Zn 2 +, яку можна відзначити за допомогою відповідного індикатора (кислотний синій хром К).

Список використаних джерел інформації

1.Алексєєв В.М. Якісний хімічний напівмікроаналіз. M: Хімія. 1973.

2.Воскресенський А.Г, Солодкін І.С. практичне посібник з якісному полумкроанализу.1972-133с.

3. Васильєв В.П. Аналітична хімія: У 2 кн.: Кн.1: Титриметричні та гравіметричні методи аналізу: Навч. для студ. вузів, які навчаються з хіміко-технол. спец.- 4-те вид., стереотип.- М.: Дрофа, 2004. - 368с.:іл.

4. Кольтгоф І. М., Сендер Е. Б., Кількісний аналіз, пров. з англ., 3 видавництва, М-код.-Л., 1948, с. 496

5.Лур'є Ю.Ю. Довідник з аналітичної хімії. - М.: Хімія, 1979. - 480с.

6. Семенов А.Д, М.М. Євстіфєєв, Ю.М. Гаврилко. Методичні вказівки

до практикуму “Аналіз об'єктів довкілля” Визначення біогенних елементів у природних водах. м. Ростов-на-Дону -2001-17c

7. Сільченко Л.А., Пашаян А.А. Аналітична хімія та фізико-хімічні методи аналізу. Методичні вказівки щодо виконання курсової роботидля студентів II курсу спеціальності 330200 "Інженерний захист навколишнього середовища" (частина II) - Брянськ, БДІТА, 2005. - 58с.

8. Рабінович В.А., Хавін З.Я. "Короткий хімічний довідник" Л.: Хімія, 1977 стор.

9. Рибакова Є.В. Іонна хроматографія сучасний методаналізу всіх типів вод/Е.В. Рибакова// Екологія та промисловість Росії.- 2000.- №13.- с.34-36

10.Шемякін Ф.М. аналітична хімія. Изд.3-е, испр. та дод. Підручник для фармацевтичних вишів. М., «Вищ.школа». 1973

11. Шварценбах Р, Флашка Р., Комплексонометричне титрування, пров. з ним.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

аналіз катіон реагент аніонний суміш

Аналітична хімія - це розділ хімічної науки, що розробляє на основі фундаментальних законів хімії та фізики принципові методи та прийоми якісного та кількісного аналізу атомного, молекулярного та фазового складу речовини.

Наведене визначення аналітичної хімії загалом відображає її зміст.

Аналітична хімія займається науковим обґрунтуванням операцій, прийомів, що застосовуються при розробці, вдосконаленні та виконанні різних методів хімічного аналізу. Слід розрізняти поняття «аналітична хімія» та «хімічний аналіз». Аналітична хімія - наука про методи аналізу, а хімічний аналіз - це відомі методи визначення складу речовини, кількісних співвідношень його компонентів, використовувані у практиці. Хімічний аналіз можна розділити відповідно до вирішуваних проблем на якісний і кількісний. У цьому роботі ми розглянемо лише якісний хімічний аналіз.

Якісний хімічний аналіз – це визначення (відкриття) хімічних елементів, іонів, атомів, атомних груп, молекул у аналізованій речовині.

Якісний аналіз складається з:

Попередні випробування (операції, які проводяться перед виконанням аналізу).

Дробний аналіз (виявлення іона чи речовини у пробі з допомогою специфічного реагенту, у всіх компонентів проби)

Систематичний аналіз (Аналіз з поділом іонів за аналітичними групами, з подальшим визначенням кожного іона.)

Аналітична хімія знаходить застосування у різних науково-виробничих сферах: геохімія, геологія, мінералогія, металургія та хімічна промисловість.

1. Теоретична частина

1.1 Сірководнева кл

Основи цієї класифікації було створено ще ХІХ столітті. Сірководнева класифікація тривалий час була поширена в аналітичній хімії і лише в другій половині XX століття вона стала витіснятися іншими методами аналіз, при яких не потрібно отримання і застосування токсичного сірководню (H 2 S).

Розроблено різні варіанти сірководневого методу, що відрізняються деталями. Загальна схема аналізу переважно зберігається у всіх випадках.

Сірководнева аналітична класифікація катіонів за групами базується на використанні в якості чотирьох групових реагентів: розчину хлороводневої кислоти HCl, розчину сірководню H 2 S, розчину сульфіду амонію (NH 4) 2 S і розчину карбонату амонію (NH 2 ). Катіони за цією класифікацією поділяються на п'ять аналітичних груп (див. табл. 1), залежно від розчинності їх хлоридів, сульфідів та карбонатів. Іноді деякі катіони, наприклад катіони свинцю Pb +2 включають різні аналітичні групи.

Незважаючи на те, що ця класична схема аналізу дозволяє відкривати багато катіонів, вона має низку недоліків, головний з яких - необхідність застосування високотоксичного сірководню.

Таблиця 1.

Сірководнева (сульфідна) класифікація катіонів

		Груповий реагент	Характеристика групи
	Li +, K +, Na +, NH 4 +, Mg 2+
	Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+	(NH 4) 2 CO 3 , (NH 4 OH + NH 4 Cl)	Карбонати нерозчинні у воді. Не осідають (NH 4) 2 S або H 2 S у вигляді сульфідів, на відміну від III, IV, V груп.
	Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Mn 2+ , Zn 2+	(NH 4) 2 S, (NH 4 OH + NH 4 Cl)	Сульфіди та гідроксиди нерозчинні у воді. На відміну від IV і V груп не осаджуються H 2 S розчину HCl у вигляді сульфідів.
	1-а підгрупа: Cu 2+, Cd 2+, Bi 3+, Hg 2+ 2-а підгрупа: Sn 2+, Sn 4+, Sb 3+, Sb 5+, As 3+, As 5+	H 2 S (з розчину HCl)	Сульфіди нерозчинні в полісульфіді амонію (NH 4) 2 S n на відміну від сірчистих сполук.

1.2 Кислотно-основна класифікація катіонів за групами

Дана класифікація катіонів за групами заснована на використанні як групових реагентів водних розчинів кислот і основ - хлороводневої кислоти HCl, сірчаної кислоти H 2 SO 4 гідроксиду натрію NaOH (у присутності пероксиду водню H 2 O 2) і аміаку NH 3 . Ця класифікація менш досконала, ніж сірководнева, і розроблена менш детально, проте при її використанні не потрібне одержання та застосування токсичного сірководню.

Катіони, що відкриваються в рамках кислотно-основної класифікації, поділяються на шість аналітичних груп (табл. 2.)

Таблиця 2. Кислотно-основна класифікація катіонів.

		Груповий реагент	Характеристика групи
(хлоридна)	Ag + , Pb 2+ , 2+		Утворення малорозчинних хлоридів
(сульфатна)	Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+		Утворення малорозчинних у воді та кислотах сульфатів
(амфолітна)	Al 3+ , Cr 3+ , Zn 2+ Sn 2+, Sn 4+, As 3+, As 5+		Утворення розчинних солей типу NaAlO 2 , Na 2 ZnO 2 , NaCrO 2 , Na 2 SnO 2 .
(гідроксидна)	Sb 3+ , Sb 5+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ ,Mg 2+		Утворення малорозчинних гідроксидів
(аміакатна)	Ni 2+ , Co 2+ Hg 2+	(надлишок)	Утворення розчинних комплексів-аміактів.
(розчинна)	Li + , K + , Na + , NH 4 +	Немає групового реактиву	Хлориди, сульфати, гідроксиди розчиняються у воді

1 .3 Хімічний аналіз аніонів

Аналіз аніонів суттєво відрізняється від аналізу катіонів. Якщо катіонів існує систематичний хід аналізу, побудований на послідовному розподілі їх у групи з допомогою групових реакцій, то аніонів такого строго систематичного аналізу немає.

Різноманітні класифікації аніонів засновані на реакціях осадження, розкладання, комплексоутворення, окиснення-відновлення. Як групові реагенти використовують солі барію, срібла, кальцію, свинцю, цинку, суміші солей барію і кальцію. Ці реактиви застосовують при різних значеннях рН розчину. В якості групових реагентів на аніони кислот, що легко розкладаються, використовують також розчини кислот (CH 3 COOH, HCl). Різні відношення аніонів до окислювачів (KMnO 4 + H 2 SO 4) або відновників (KI + H 2 SO 4) також дозволяє ділити аніони на групи за відмінністю їх окислювально-відновлювальних властивостей. Існують класифікації, засновані на використанні різних реактивів, у яких кількість груп аніонів коливається від 3 до 7.

Так, наприклад, при розподілі аніонів на три групи вони розподіляються таким чином:

Аніони, що утворюють опади із розчинними солями барію;

Аніони, що утворюють опади із розчинними солями срібла;

Аніони, що не утворюють опадів ні з розчинними солями барію, ні з розчинними солями срібла;

Класифікація аніонів, заснована на реакціях осадження

		Групова ознака	Груповий реагент
	SO 4 2- ,SO 3 2- ,S 2 O 3 2- ,CO 3 2- ,C 2 O 4 2- ,SiO 3 2- ,Cr 2 O 7 2- ,CrO 4 2- ,B 4 O 7 2- (BO 2 -),PO 4 3- ,F - ,AsO 3 3- ,AsO 4 3-	Солі барію та срібла нерозчинні у воді, але розчиняються в азотній та соляній кислотах, крім сульфату барію.	BaCl 2 в нейтральному або слаболужному середовищі.
	S 2- ,Cl - ,Br - ,I - ,SCN - ,CN - , IO 3 - ,BrO 3 -	Солі барію розчиняються, а солі срібла не розчиняються у воді та розведеній азотній кислоті (крім BrO 3 -).	AgNO 3 в азотнокислому (2М) середовищі.
	NO 3 - ,NO 2 - ,CH 3 COO - ,MnO 4 - , та інших.	Солі барію та срібла розчиняються у воді.	відсутній

При розподілі аніонів на сім груп розрізняють:

Аніони, барієві солі яких розчиняються у воді, срібні солі малорозчинні у воді, але розчиняються в азотній кислоті(NO 2 - , CH 3 COO - , HCOO - ,CNO - , S 2-). Аніони другої групи з BaCl 2 або Ba(NO 3) 2 осаду не утворюють. AgNO 3 тримає в облозі з достатньо концентрованих розчинів відповідні срібні солі.

Аніони, барієві солі яких малорозчинні у воді, але розчиняються в НNO 3 , срібні солі пофарбовані в різні кольори, не розчиняються у воді і розчиняються в НNO 3 (C 2 O 4 2- , S 2 O 3 2- , AsO 3 3- ,AsO 4 3-, PO 4 3-).

Аніони, барієві та срібні солі яких поводяться подібним чином, як і відповідні солі III групи, але їх срібні солі білого кольору (BrO 2 - , C 2 O 4 2- ,C 2 H 4 O 6 2- , CO 3 2- , SO 3 2-, IO 3 -).

Аніони, барієві та срібні солі яких розчиняються у воді(ClO 3 - ,ClO 4 - ,S 2 O 8 2- , NO 3 -).

Аніони, барієві солі яких не розчиняються у воді та НNO 3 , а срібні солі розчинні у воді (SiF 6 2-, F - , SO 4 2-). З аніонами цієї групи катіони барію утворюють білі нерозчинні опади, а AgNO 3 не викликає утворення осаду.

Аніони кремнієвої, титанової, цирконієвої, вольфрамової та деяких інших кислот, солі лужних металів, які розчиняються у воді, а барієві та срібні солі не розчиняються.

По окислювально-відновних властивостях аніони також зазвичай ділять на три групи. За цією класифікацією груповими реагентами є окислювачі чи відновники, які мають окислювальна чи відновна форма пофарбована.

Класифікація аніонів, заснована на їх окисно-відновних властивостях

		Групова ознака	Груповий реагент
	NO 2 - , Cr 2 O 7 2- , AsO 4 3- , BrO 3 -	Окислювачі: виділення вільного іона
	NO 3 - , NO 2 - , Cr 2 O 7 2- , MnO 4 -	Окислювачі: виділення MnCl 6 2-, бурого кольору	MnCl 2 + HCl конц
	S 2- , SO 3 2- ,S 2 O 3 2- , NO 2 - ,С 2 O 6 4- ,Cl - ,Br - ,I - , CN - , SCN - , AsO 3 3-	Відновники: знебарвлення розчину KMnO4 з утворенням Mn2+.	KMnO 4 + H 2 SO 4
	S 2- , SO 3 2- ,S 2 O 3 2- , AsO 3 3-	Відновники: відновлення I 2 до I – . Зникнення синій колір йодокрахмального комплексу.	I 2 KI, підкислений H 2 SO 4 (+ крохмаль)
	SO 4 2- ,CO 3 2- , PO 4 3- ,CH 3 COO - ,SiO 3 2- ,B 4 O 7 2-	Індиферентні	відсутній

1.4 Відбір проб сухих речовин та способи розчинення

Хімічний аналіз найчастіше починають з відбору та підготовки проби до аналізу. Слід зазначити, що це стадії аналізу пов'язані між собою. Так, ретельно виміряний аналітичний сигнал не дає правильної інформації про зміст компонента, що визначається, якщо неправильно проведений відбір або підготовка проби до аналізу. У більшості випадків саме відбір і підготовка проби до хімічного аналізу лімітує надійність і, в цілому, якість результатів, а також трудомісткість і тривалість аналітичного циклу.

Похибка при підготовці та відборі проби часто визначають загальну помилку визначення компонента і робить безглуздим використання високоточних методів. У свою чергу відбір і підготовка проби залежать не тільки від природи об'єкта, що аналізується, але і від способу вимірювання аналітичного сигналу. Прийоми та порядок відбору проби та її підготовки настільки важливі при проведенні хімічного аналізу, що зазвичай передбачається Державним стандартом (ГОСТ).

Для проведення аналізу, зазвичай, беруть так звану середню (представницьку) пробу. Це невелика частина аналізованого об'єкта, середній склад та властивості якої повинні бути ідентичні в усіх відношеннях середньому складу та властивостям досліджуваного об'єкта. Розрізняють генеральну, лабораторну та аналізовану проби. Генеральна (звана іноді первинною, великою чи грубою) проба відбирається безпосередньо з аналізованого об'єкта. Вона досить велика – зазвичай 1-50кг, для деяких об'єктів (наприклад, руди) становить іноді 0,5-5т.

З генеральної проби шляхом скорочення відбирають лабораторну пробу. Одну частину лабораторної проби використовують для попередніх досліджень, іншу – зберігають для можливих у майбутньому арбітражних аналізів, третю – використовують безпосередньо для аналізу (аналізована проба). У разі потреби проби подрібнюють та усереднюють. Для аналізованої проби проводять кілька визначень компонента: з окремих наважок (якщо аналізований об'єкт – тверда речовина) або аліквот (якщо аналізований об'єкт – рідина чи газ). Зміст обумовленого компонента аналізованої пробі має відбивати середній зміст цього компонента у всьому досліджуваному об'єкті, тобто. аналізовані проби має бути представницькою. Саме похибка в аборі проби часто визначає загальну похибку хімічного аналізу і, не оцінивши похибки на цій стадії, не можна говорити про правильність визначення компонента в об'єкті, що аналізується.

Чим більше матеріалу відібрано для проби, тим вона є представницькою. Однак з дуже великою пробою важко працювати, це збільшує час аналізу та витрати на нього. Таким чином, відбирати проби потрібно так, щоб вони були невеликими, але представницькими.

Способи відбору проби та її величина, насамперед, визначаються фізичними та хімічними властивостями аналізованого об'єкта. При відборі проби необхідно враховувати:

1) агрегатний стан аналізованого об'єкта;

2) не однорідність аналізованого матеріалу та розмір часток, з яких починається не однорідність;

3) необхідну точність оцінки змісту компонента у всій масі аналізованого об'єкта залежно від завдання аналізу та природи досліджуваного об'єкта.

Один з факторів, який потрібно враховувати при виборі способу відбору проби - можливість зміни складу об'єкта та змісту компонента, що визначається в часі. Розглянемо докладніше вибір проби твердих речовин.

При відборі генеральної, лабораторної та аналізованої проби твердих речовин, насамперед, виникає питання розмірі проби, який має забезпечувати її представницькість. Оптимальна маса проби обумовлена ​​неоднорідністю аналізованого об'єкта, розміром часток, з яких починається неоднорідність, та вимогами до точності аналізу, що зазвичай визначається похибкою у відборі проби. Залежність маси представницької проби від обсягу неоднорідних часток.

Для розрахунку раціональної маси представницької проби існує кілька прийомів. Часто використовують наближену формулу Річердса-Чеччота:

де Q - маса проби, що забезпечує її представництво, кг; d – найбільший діаметр неоднорідних частинок, мм; K - емпіричний коефіцієнт пропорційності, що характеризує ступінь неоднорідності розподілу визначається компонента у матеріалі, змінюється в межах 0,02-1.

Відбір проби сипких продуктів тим складніше, ніж неоднорідний аналізований об'єкт: у пробі повинні бути представлені шматки різного розміру, що повно відображають склад зразка. При відборі проби сипучих продуктів масу об'єкта, що досліджується, перемішують і пробу відбирають у різних місцях ємності і на різній глибині, використовуючи при цьому спеціальні щупи-пробовідбірники. Після відбору генеральної (або лабораторної) проби твердої речовини здійснюють процес гомогенізації, що включає операції подрібнення (дроблення) та просіювання. Проби, що містять великі шматки, розбивають у дробильних машинах, менші подрібнюють у спеціальних ступках (із загартованої інструментальної сталі).

Для тонкого подрібнення використовують фарфорові, агатові, яшмові та кварцові ступки з маточками з того ж матеріалу.

Т.к. в процесі дроблення шматки різного розміру розтираються по-різному, то можливі втрати у вигляді пилу, що призводять до зміни складу проби. Щоб уникнути цього, у процесі подрібнення періодично ділять великі та дрібні частинки просіюванням, і великі частинки розтирають окремо. Операції та подрібнення та просіювання чергують доти, доки не отримають досить розтерту однорідну пробу.

Наступний етап відбору проби - усереднення, що включає операції перемішування та скорочення проби. Перемішування проводять механічно в ємностях, перекочування з кута в кут різних площинах, перемішуванням методом конуса і кільця.

Скорочення проби проводять різними способами (метод конуса та кільця, квантування, шаховий спосіб відбору, механічний дільник). Цей процес, як правило, багатостадійний, що включає повторне перемішування та поділ. Ступінь скорочення може бути визначена заздалегідь на підставі розрахунку величини генеральної та аналізованої проб, які отримують в результаті послідовного зменшення обсягу об'єкта, що аналізується.

У процесі відбору та зберігання проби можливі втрати компонента, внесення забруднень, зміна хімічного складу. Усе це призводить до збільшення загальної похибки аналізу.

Переведення солей (або оксидів) у розчин

При аналізі суміші речовин може бути так, що частина проби розчинна у воді, частина - у кислотах, частина - у розчині аміаку і т.д. У цьому випадку доцільно провести дробове розчинення проби та отримати ряд витяжок - розчинів, що містять різні катіони та аніони та їх суміші. Слід домагатися, щоб та частина проби, яка розчиняється в даному розчиннику, була повністю вилучена з суміші і переведена у відповідну витяжку. Кожну витяжку аналізують окремо, так як при цьому досягається додатковий поділ складної суміші і усувається дія деяких іонів, що заважає.

Розчинення у воді

У воді розчиняються більшість нітратів, галогенідів (крім галогенідів срібла, ртуті та свинцю), сульфатів

(крім BaSO 4 , SrSO 4 . PbSO 4 , CaSO 4) та ацетатів. Тільки у водній витяжці знаходяться катіони K + , Na + , NH 4 + і аніони NO 2 - і NO 3 -. Розчинність солей у воді зазвичай збільшується з підвищенням температури, іноді дуже значно.

Деякі солі, розчиняючись у воді, гідролізуються з утворенням опадів гідроксидів або основних солей, розчинних у кислотах. Це характерно для деяких солей Al3+, Fe2+, Sn2+, Sn(IV), Cr3+, особливо для солей Bi(III) та Sb(III).

Для виявлення аніонів у водній витяжці катіони важких металів краще осадити насиченим розчином Na 2 3 , а після відділення осаду поступово нейтралізувати СН 3 СООН.

Розчинення в СН 3 СООН.

Оцтовокислу витяжку 2 М СН 3 СООН проводять з залишку, що не розчинився у воді, при нагріванні. У розчин переходять карбонати більшості катіонів, фосфати двозарядних катіонів, оксиди марганцю та цинку.

Розчинення вHCl.

Залишок після обробки СН 3 СООН обробляють при нагріванні 2 М НCl. При цьому розчиняються фосфати тризарядних катіонів, сульфіти (за винятком солей Pb 2+ , Ag + , Hg 2 2+), солі вісмуту, сульфіди Mn 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ . Осад, що не розчинився, обробляють концентрованою HCl при нагріванні. У розчин переходять важкорозчинні солі сурми та олова у вигляді хлоридних комплексів, сульфід Cd 2+ (виділення Н 2 S), діоксиди марганцю та свинцю (може виділитися Cl 2 ). Солянокислі витяжки об'єднують і використовують для виявлення катіонів (з аніонів тільки S 2 і РО 4 3-). Нерозчинний залишок добре промивають водою.

Розчинення вHNO 3 .

Проводять, якщо після обробки HCl залишається темний залишок, розчинний концентрованої HNO 3 при нагріванні розчин упарюють насухо і залишок розчиняють у воді, відокремлюючи сірку центрифугуванням. Отриманий розчин використовують для виявлення катіонів. Якщо при цьому залишається білий залишок, то, найімовірніше, в ньому містяться нерозчинні сульфати (BaSO 4 SrSO 4 CaSO 4 PbSO 4) і/або AgCl, AgBr, AgI.

Лужна витяжка

При нагріванні залишку з 30% розчином луги в розчин перейде PbSO 4 . Розчин підкислюють і перевіряють присутність Pb 2+ та SO 4 2- .

Аміачна витяжка

Якщо білий осад не розчинився в лугу, його обробляють 25%-ным розчином аміаку. У розчин перейдуть AgCl та частково AgBr.

Обробка насиченим розчиномNa 2 CO 3 .

(«Содова витяжка») проводиться для переведення в розчин білого осаду (BaSO 4 , SrSO 4 і, частково, CaSO 4) після аміачної витяжки. Сульфати переводять у карбонати повторним кип'ятінням зі свіжими порціями соди, а отримані карбонати розчиняють в оцтовій кислоті та аналізують.

Деякі складні речовини (такі як силікати, оксиди кремнію, алюмінію, заліза, хрому тощо) переводять у розчинні сполуки, сплавляючи їх з лугами, карбонатами або гідросульфатами лужних металів. Отримані розплави розчиняють у воді або розведених кислотах. При обробці нерозчинних сполук карбонатом натрію не всі аніони однаково легко переходять у карбонатний розчин. Деякі сполуки важких металів (сульфіди, галогеніди, фосфати та ін.) залишаються в осаді разом із гідроксидами, карбонатами та гідроксокарбонатами. Тому відповідні аніони відкривають і в розчині, і в осаді, особливо коли аніони не виявлені в «содовій витяжці».

2. Експериментальначастина

2.1 Попередні випробування

Суміш білого кольору без характерного запаху. У воді розчиняється в повному обсязі, в кислотах часткове розчинення із газом (можлива присутність CO 3 -2). Залишок нерозчинної частини суміші переводимо розчин за допомогою содової витяжки.

2.2 Аналіз катіонного складу

2.2.1 Дробовий аналіз

Аналіз суміші катіонів I-VI груп починають з аналізу на наступні катіони. : NH 4 + , Na + , Cr 3+ , Sn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Sb 3+ , Bi 3+ , Cu 2+ , Cd 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , K + .

NH 4 + - Реактивом Несслер. Аналітичним ефектом є випадання Червоно-бурого осаду I. Не виявлено.

K + - додають 2н розчин CH 3 COOH до pH = 5 розчин кобальтинітриту натрію. Спостерігаємо появу жовтого осаду, що говорить про наявність калію. Реакція дала позитивний результат.

2KCI + Na3 = K2Nav + 2NaCI.

Реакції заважають іони NH 4 + перед реакцією їх видаляємо.

Fe 2 + - у солянокислому середовищі K 3 Fe(CN) 6 . Не знайден.

Fe 3+ - в солянокислому середовищі K 4 Fe(CN) 6 . Не знайден.

Cr 3+ - реакцією окислення в кислому середовищі до Cr 2 O 7 2 - і перетворенням останнього за допомогою H 2 O 2 перекис хрому CrO 5 . Sn 2+ - окиснення солями вісмуту Bi(NO 3) 3 . Не знайден.

Mn 2+ - реакцією окиснення до MnO 4 2- вісмутатом натрію. Не знайден.

Bi 3+ - Відновленням до металевого вісмуту станнітом натрію Na 2 SnO 2 . Не знайден.

Ni 2+ - з диметилгліоксимом. Не знайден.

Co 2+ - з роданідом амонію. Роданід амонію NH 4 SCN утворює з Co 2+ комплексну сіль складу (NH 4) 2 . Не знайден

Cd 2 + - з йодидом калію. Не знайден.

Ni 2+ - з гексаціанофератом калію. Не знайден.

2.2.2 Систематичний аналіз катіонів

Відділення катіонів 1 групи

При додаванні розчину суміші HCl, осаду не утворюється, що свідчить про відсутність катіонів першої групи.

Відділення катіонів 2 групи.

При додаванні до розчину задачі 2Н розчину H 2 SO 4 випадає осад, що свідчить про наявність 2 аналітичної групи.

Перевіряємо осад на розчинність у HCl, осад не розчиняється. Можлива присутність іонів Ba +2 .

Проводимо содову витяжку, при цьому до осаду 2 групи додаємо карбонат натрію, нагріваємо до кипіння, залишаємо на 3-4 хвилини. Розчин зливаємо, до осаду додаємо нову порцію карбонату натрію і повторюємо операції. Повторювати потрібно до тих пір, поки проба осаду не почне розчинятися в соляній кислоті. Потім розчиняємо осад у гарячій оцтовій кислоті, в розчині виявляємо барій реакцією з дихроматом калію. Випадає жовтий осад BaCrO 4 , Реакція йде в оцтовокислому середовищі( pH=5 ).

BaSO 4 v + Na 2 CO 3 =BaCO 3 v + Na 2 SO 4

BaCO 3 v+ 2CH 3 COOH=Ba(CH 3 COO) 2 + CO 2 +H 2 O

2Ba 2+ +Cr 2 O 7 -2 + H 2 O = 2BaCrO 4 v + 2H +

Відділеннята відкриття3 групи

До розчину суміші додаємо Перекис водню (5-6 крапель) та 6М розчин гідрооксиду натрію, до повного осадження, потім додаємо надлишок лугу. Розчин нагріваю протягом 3-5 хвилин. Осад не розчинився, отже, 3 групи відсутні.

Відділеннята відкриття4 групи

Осад отриманий при відділенні 3 групи обробляємо насиченим розчином NH 4 Cl, при цьому іони заліза та марганцю залишаються в осаді, а магній переходить у розчин.

Виявлення магнію Mg+2.

Реакція з гідрофосфатом натрію утворює із солями магнію у присутності NH4 OHбілий кристалічний осад.

MgCl 2 + NH4OH+ Na2HPO4= MgNH4PO4v +2 NaCl+ H2O.

По реакції із магнезоном. Лужний розчин магнезону при магнію дає синє фарбування.

Визначення та відкриття 5 групи. При приливанні до осаду, отриманого при осадженні 3 групи, 6М розчину NH 4 OH, Розчинення не відбувається-5 група відсутня.

2. 3 Аналіз аніонного складусуміші

2.3.1 Дробовий аналіз

pH розчину суміші =6-7, отже в розчині одночасно присутні аніони слабких і сильних кислот.

У дробовому аналізі виявляємо:

Виявлення сульфат-іону- проводять за освітою осаду BaS0 4 нерозчинного в АЛЕ. Осад розчинний у концентрованій HCl.

2+ + S0 4 2- > BaSO 4 v

оскільки осад не розчинився, то сульфат-іонприсутній у суміші

Виявлення карбонат-іону- реакцією з мінеральними кислотами, у ході реакції виділяється газ, отже, карбонат-іони у задачі присутні.

Виявлення фосфат-іону- з молібденової рідиною, оскільки жовтий осад не випав, отже, фосфату немає завдання.

Виявлення ацетат-іону- з хлоридом заліза трьох валентного, тому що немає червоно-бурого фарбування, отже, ацетату немає завдання.

Виявлення родоніт-іону- із солями заліза трьох валентного, тому що розчин не забарвився в криваво-червоний колір, отже, родоніту в задачі немає.

Виявлення оксалат-іону- з перманганатом калію в сірчанокислому середовищі, так як розчин не знебарвився, отже, оксалату немає завдання.

Виявлення силікат-іону- по реакції з солями амонію, так як не випав білий драглистий осад, значить силікату в задачі немає.

Систематичний аналіз

Осадження аніонів першої групи

Осадження групи проводимо насиченим розчином Sr(N0 3 ) 2 .

У розчині 1 проводимо виявлення тіосульфат-іонареакцією з нітратом срібла, оскільки осад не випав, отже тіосульфату немає завдання.

Осад 1 містить SrS0 4 , SrS0 3 , SrC0 3 , SrC 2 0 4 , SrHP0 4 .

SO 3 2- - реакцією з 2 M соляною кислотою та йодною водою, так як розчин не знебарвився, отже, сульфіту немає завдання.

S0 4 2- -Присутня (з попередніх випробувань).

Осадження аніонів другої групи

Осадження проводимо нітратом срібла у присутності 2М азотної кислоти.

Осад 2 містить AgCI, AgBr, Agl, AgSCNіAg 2 S 2 0 3 .Ta як осад не потемнів, значить S 2 0 3 2 - немає завдання.

Зl - - підкислюють розчин HNO 3 і додають AgN0 3 центрифугуємо.

Зl - + Ag + > AgClv

Відокремлюємо центрифугат від осаду і до осаду додаємо, (NH 4 ) 2 СО 3 оскільки осад повністю розчинився, можна констатувати відсутність Вг - ,осад-хлорид срібла.

AgCI + 2(NH 4) 2 C0 3 > Cl + 2NH 4 HC0 3

AgCI + 2NH 3 > [ Ag(NH 3) 2 ]Cl

При додаванні розчину NH 3 , повне розчинення, за умови відсутності SCN"(доведено негативним аналітичним ефектом якісної реакції) поява каламуті після додавання HN0 3 вказує на присутність аніону Зl - .

Cl + 2HN0 3 > Ag Clv + 2NH 4 N0 3

Відділення аніонів третьої групи:

Третя група аніонів відсутня .

Висновок

Виявлено такі катіони: Ba +2 , Mg +2 , K + .

Виявлено такі аніони: Cl - , SO 4 -2 , CO 3 -2 .

Література

1. Золотов Ю.А., Дорохова О.М., Фадєєва В.І.

Основи аналітичної хімії. - М: Вища школа, 1999. (Стор. 8)

2. Крешков А.П.

Безсірководневі методи якісного напів-мікроаналізу .. - М: Хімія, 1977 (стор. 95-104, 153-167)

3. Харітонов Ю.Я.

Аналітична хімія. У 2-х книгах, кн.

Загальні теоретичні засади. Якісний аналіз. Навч. для вузів. - 2-ге вид., испр. - М: Вища школа, 2003. (Стор. 320-336, стор 418-512)

4. Шрайбман Г.М., Халфін П.Д., Булгакова О.М.

Аналітичні реакції аніонів.

Аналіз суміші аніонів. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу "Аналітична хімія" для студентів 2 курсу хімічного факультету. Кемерово: КемГУ, 2003.

5. Сріблоенікова НаталіяВсеволодівна

Якісний хімічний аналіз катіонів за кислотно-основним методом (Методичне керівництво для студентів 2 курсу хімічного факультету). Кемерово: Кемеровський держуніверситет, 1993.

Розміщено на www.allbest.ru

Подібні документи

Аналітична хімія - наука про визначення хімічного складу речовин та їх хімічної структури. Поняття та сутність титриметричного методу аналізу. Способи приготування розчину титрованого. Методи кислотно-основного титрування (нейтралізації).

реферат, доданий 22.02.2012


Предмет та завдання аналітичної хімії. Способи вираження складу розчину. Закон чинних мас. Хімічне та гомогенне рівновагу. Аналітичні операції та реакції. Якісний аналіз катіонів та аніонів. Оцінка достовірності аналітичних даних.

методичка, доданий 09.04.2009


Методи аналітичної хімії, кількісний та якісний аналіз. Окисно-відновлювальні системи. Способи вираження концентрації розчинів та їх взаємозв'язок. Класифікація методів титриметричного аналізу. Молекулярний спектральний аналіз

методичка, доданий 08.06.2011


Завдання та методи якісного та кількісного аналізу. Аналітична система катіонів. Закон чинних мас. Теорія електролітичної дисоціації. Окисно-відновні реакції. Характеристика комплексних з'єднань. Буферні розчини.

курс лекцій, доданий 15.12.2011


Технології використання солей алюмінію і заліза як коагулянтів у процесах поліпшення якості води. Класифікація високомолекулярних флокулянтів на органічні (природні та синтетичні) та неорганічні, аніонного та катіонного типу.

реферат, доданий 09.03.2011


Поняття "гетерогенна система". Специфічні, групові, загальні осадові реакції. Кристалічний та аморфний осад. Проведення реакцій виявлення іонів напівмікрометодом. Кислотно-основна, сірководнева та аміачно-фосфатна класифікація катіонів.

презентація , доданий 14.11.2013


Сутність та предмет аналітичної хімії як науки. Завдання та методи якісного та кількісного аналізу хімічних речовин. Приклади якісних реакцій на катіони. Характеристика явищ, що супроводжують реакції мокрим (у розчинах) та сухим шляхами.

презентація , доданий 27.04.2013


Теоретичні відомості щодо якісного аналізу. Методи аналізу невідомого зразка. Основи титриметричного аналізу. Комплексонометричне титрування, розрахунок кривої титрування методом комплексонометрії. Визначення аніонного складу стічних вод.

курсова робота , доданий 22.01.2011


Методи фотометричного аналізу. Кількісне визначення речовин у газовій хроматографії. Сутність амперометричного титрування. Природа походження атомних спектрів. Типи радіоактивних перетворень, які у радіометричних методах аналізу.

контрольна робота , доданий 17.05.2014


Ентальпія, теплоємність у стандартному стані при заданій температурі для чотирикомпонентної суміші заданого складу. Щільність рідкої суміші лінії насичення. Теплопровідність суміші. Псевдокритична температура. Ацентричний фактор суміші.

Обробка води методом іонного обміну

Іонний склад води. Обробка води шляхом іонного обміну.

Конструкція та принцип роботи катіонітового фільтра; особливості роботи Na, H, NH 4 – катіонітних фільтрів, конструкція та принцип роботи аніонітних фільтрів. процес відновлення іонних фільтрів; схема роботи знесолювальної установки, схема нейтралізації стічних вод.

Іонний склад води

Сутність іонного обмінуполягає у здатності спеціальних матеріалів (іонітів) змінювати в бажаному напрямку іонний склад води, що обробляється. Іонітиє нерозчинні високомолекулярні речовини, які завдяки наявності у яких спеціальних функціональних груп здатні до реакцій іонного обміну, тобто. вони здатні поглинати з розчину позитивні або негативні іони в обмін на еквівалентні кількості інших іонів, що містяться в іоніті, що мають заряд того самого знака. По знаку заряду іонів, що обмінюються, іоніти поділяються на катіонітиі аніоніти.Здатність іонітів до обміну іонами з розчином визначається їхньою будовою. Іоніти складаються з нерозчинної твердої основи (матриці), яка при поміщенні її у воду здатна збільшувати свій об'єм у 1,1-2,0 рази за рахунок взаємодії з полярними молекулами Н 2 Про, що дає можливість взаємної дифузії іонів, що обмінюються, після завершення синтезу і перетворення матриці в іоніт.

Отриману матрицю обробляють хімічними реагентами, щепляючи до неї спеціальні функціональні групи,заміщають у бензольних кільцях іони водню та здатні до дисоціації у розчинах. Фіксований на матриці іон (частина функціональної групи) визначає виникнення заряду і зветься потенціалотворчого.Заряд каркаса компенсується зарядом іонів протилежного знака, які називаються протиіонами(Рис. 4.1). Протиіони утворюють дифузний шар, вони рухомі навколо матриці і можуть бути замінені іншими іонами із зарядом того ж знака. Поява потенциалообразующих іонів і проти-іонів може відбуватися як з допомогою дисоціації функціональних груп, а й з допомогою адсорбції функціональними групами з розчину іонів з якимось знаком заряду. Зазвичай матрицю з фіксованими іонами позначають символом R,а протиіон - хімічним символом, наприклад, RNa- катіоніт з обмінним іоном (протиіоном) натрію, a ROH- Аніоніт з обмінною гідроксильною групою.

Рисунок 4.1 – Структури елементів об'єму іонітів:

а - катіоніт; б - аніоніт; 1 – матриця; 2 – потенціалотворні фіксовані іони; 3 – іони дифузійного шару.

Вода завжди електрично нейтральна, тому сума концентрацій катіонів, що містяться в ній, дорівнює сумі концентрацій аніонів за умови, що вони виражені в мгекв/л:

∑С К = ∑С А

Це рівняння називається рівнянням електронейтральності розчину, яким користуються під час перевірки правильності аналізу води.

Таблиця 4.1 - Іонний склад води

Двовалентне залізо зустрічається в підземних водах найчастіше у вигляді бікарбонатів Fe(HCO 3) 2 . З'єднання 3-хвалентного заліза зустрічаються в поверхневих водах, і знаходиться в колоїдному стані Fe(OH 3). Якщо в природних водах утримуватись сполуки азоту, а саме іони амонію NH 4+ , нітрат і нітрит іони NO 3 - ,NO 2- це свідчить про те, що джерело водопостачання забруднене господарсько побутовими стоками. Хімічно чиста вода є дуже слабким електролітом. Приблизно 1 із 10 млн. молекул дисоціює на іони:

H 2 O↔H + + OH -

Негативний логарифм концентрації іонів водню називається водневим показником :

pH = -lg

Для хімічно чистої води pH= 7. Залежно від значення pHводного розчину оцінюється реакція середовища. При 1 ≤ pH < 3 – реакция среды кислая; 4 < pH < 6 – слабо кислая; pH= 7 - нейтральна; 8< pH < 10 – слабощелочная; 11 < pH≤ 14 – лужна.

Вода для питних цілей згідно з ГОСТ 2874-82 pH =6,5…9,0.

4.2 Обробка води шляхом іонного обміну

Обробка води методом іонного обміну заснована на пропуску вихідної або частково обробленої води через шар іонно-обмінного матеріалу практично нерозчинного у воді, але здатного взаємодіяти з іонами, що містяться у воді. Вода, що обробляється, пропускається через фільтри, завантажені іонітами. Просочуючись між зернами іоніту, оброблена вода обмінює частину іонів розчинених у ній електролітів на еквівалентну кількість іонів іоніту, внаслідок чого змінюється іонний склад, як води, що фільтрується, так і самого іоніту. Матеріали, що мають властивості обміну катіонами катіонітами, а аніонами – аніонітами. Для отримання потрібної формиіоніту проводиться регенерація. Катіоніти при регенерації їх розчинами NaCl, H 2 SO 4, NH 4 Clутворюють відповідно натрієву, водневу або амонійну форму, яка умовно позначається NaR, H 2 R, NH 4 R. При пропуску води, що містить катіони Са 2+ і Mg 2+ через відрегенерований катіоніт протікає реакція обміну іонів кальцію Са 2+ , Mg 2+ на іони Na +, H+ або NH 4+ , що містяться в катіоніті. Цей процес називається катіонуванням. Аніоніти, що відреагували з лугами (найчастіше NaOH) утворюють гідроксидну форму, що умовно позначається ROHякщо через регенеруючий аніоніт пропускати розчин кислоти, наприклад HClвідбудеться реакція обміну аніонів – аніонування та здійсниться взаємна нейтралізація іонів Н+ та гідроксидіонів ВІН- Витіснені аніонами з аніоніту.

За своєю хімічною природою всі катіоніти є кислотами, а всі аніоніти – основами. Залежно від складу функціонально-активних груп типи іонітів різняться за кислотністю та основністю. Катіоніти поділяють на сильно, середньо та слабо кислотні і відповідно аніоніти на середньо, сильно та слабо основні.

Як катіонування, так і аніонування отримали широке застосування на ТЕС для пом'якшення, знесолення та знекремування додаткової живильної води парогенераторів, забруднених конденсатів та підживлювальної води теплових мереж.

Обробка води методом іонного обміну принципово відрізняється від обробки води методом осадження тим, що домішки, що видаляються з неї, не утворюють осаду, і тим, що така обробка не вимагає безперервного дозування реагентів. У зв'язку з цим експлуатація водопідготовчих установок, що працюють за методом іонного обміну, значно простіше, габарити апаратів менші, а ефект обробки вищий, ніж установок, що працюють за методом осадження.

Як іоніти в РФ використовуються сульфовугілля та синтетичні смоли, що відносяться до розряду пластичних мас.

Протікаючи через іоніт, спочатку насичений іонами А(рис. 4.2), оброблюваний розчин, що містить іони В,буде постійно контактувати з новими шарами свіжого (невикористаного) іоніту. Згодом верхні шари іоніту віддадуть усі іони. Аі втратить свою іонообмінну здатність, вони ніби вичерпаються (зона а). Внаслідок цього перехідна зона, у якій відбувається іонний обмін (зона b), буде все далі і далі пересуватися вниз шаром. За певних умов ця зона сягає стаціонарної ширини. Розподіл концентрацій іонів, що обмінюються, в цій зоні носить назву фронту фільтрування.У нижніх шарах (зона з) іоніт ще повністю насичений іонами А.Коли нижня межа перехідної зони досягне кінця шару іоніту, настане проскокі вона Вфільтрат, що служить зазвичай сигналом для відключення фільтра на регенерацію.

Рисунок 4.2 – Схема іонообмінного процесу в ионитном фільтрі:

· - Іоніт, насичений іонами А;

o - іоніт, насичений іонами Ст.

Залежно від коефіцієнта селективності іонів, що обмінюються, може сформуватися гострийфронт фільтрування, який переноситься паралельно, або розмитий(дифузний), що розширюється під час руху по висоті шару іоніту. Крива, що показує залежність концентрації домішок у фільтраті від часу роботи фільтра (або обсягу пропущеного через фільтр розчину), носить назву вихідний кривій.Приклади вихідних кривих при гострому та дифузному фронтах фільтрування наведено на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Фронти фільтрування та вихідні криві в іонітних фільтрах:

1 – дифузійний фронт фільтрування; 2 – вихідна крива при дифузійному шарі; 3 – гострий фронт фільтрування; 4 - вихідна крива при гострому фронті; х – висота шару іоніту; t – час роботи фільтра.

Від виду кривої фронту фільтрування залежить ступінь використання обмінної ємності при роботі фільтра, тому при обґрунтуванні іонообмінної технології іоніти підбирають так, щоб сорбція найважливіших іонів у водопідготовці відбувалася при гострому фронті фільтрування.

На формування фронту фільтрування впливають також гідродинамічні процеси, що визначаються швидкістю фільтрування, структурою зернистого шару, конструкцією дренажних пристроїв та іншими факторами.

4.3 N a – катіонування

Цей процес застосовують для пом'якшення води шляхом фільтрування її через шар катіоніту в натрієвій формі (що містить як обмінні іони катіони натрію) Na), для чого попередньо катіоніт регенерується NaCl.

При Na- катіонування протікають реакції:

NаR + Ca(HCO 3) 2 → CaR 2 + 2NаНCO 3

2NaR + Mg(HCO 3) 2 → MgR 2 + 2NaHCO 3

2NaR + CaCl 2 → CaR 2 + 2NaCl

2NaR + CaSO 4 → CaR 2 + Na 2 SO 4

Як видно з наведених реакцій з води, що обробляється видаляються катіони Са 2+ і Mg 2+ , а в воду, що обробляється, надходять катіони Nа 2+ , аніонний склад води та її лужність при цьому не змінюється, а солевміст її дещо зростає.

Одноступінчастим Na-катіонуванням можна отримати воду з залишковою рідиною до 0,1 мгекв/л. Однак для більш глибокого пом'якшення води достатньої жорсткості 0,01 - 0,02 мгекв/л потрібно істотно збільшувати питому витрату солі на регенерацію фільтра, причому необхідний ретельний контроль за "проскоком" жорсткості.

Процес пом'якшення при Na-катіонування закінчується при настанні "проскоку" жорсткості (мал. 4.4), після чого виснажений катіоніт у фільтрі треба регенерувати, тобто. відновлювати його здатність обмінюватися іонами. Регенерацію виснаженого катіоніту проводять перепусткою через нього 6-10%-ного розчину NaCl. Внаслідок великої концентрації іонів Naу регенераційному розчині відбувається заміна ними поглинених раніше катіонів Са 2+ і Mg 2+ за реакціями:

R 2 Ca + nNa + ↔ 2RNa + Ca 2+ + (n-2)Na +;

R 2 Mg + nNa + ↔ 2RNa + Mg 2+ + (n-2)Na + ,

Де п- надлишок NaClпроти його стехіометричної кількості.

Рисунок 4.4 – Вихідна крива Nа-катіонітного фільтра

Незважаючи на те, що процес обміну іонів, у тому числі при регенерації іоніту, характеризується еквівалентністю, для якісної регенерації іонітів витрата реагенту вибирається з певним надлишком п.При подачі розчину солі у фільтр краще буде відрегенерований лобовий катіоніт, що контактує зі свіжим розчином. У міру проходження розчину в глибинні частини катіоніту умови регенерації погіршуватимуться внаслідок підвищення концентрації в регенераційному розчині іонів Са 2+ і Mg 2+ , витіснених з верхніх шарів катіоніту при збідненні регенерату іонами Na+. Аналогічна дія проявляється за рахунок забруднення розчину технічної солі. NaClіонами Са 2+ та Mg 2 + .

Рисунок 4.5 – Вплив витрати солі на ефект регенерації катіоніту

Ефект підвищення обмінної ємності зі збільшенням витрати солі при регенерації показано на рис. 4.5 з якого випливає, що ефект приросту обмінної ємності зі збільшенням витрати більше 300 г/г-екв помітно знижується.

У схемі двоступінчастого Na- катіонування недоліки одноступінчастого катіонування усуваються, і забезпечується надійно залишкова жорсткість фільтра менше 0,01 мгекв/л. Число ступенів катіонування визначається вимогами до поживної води. Так для парових екранованих котлів, де потрібне глибоке пом'якшення води, доцільно застосування схеми двоступінчастої. Na- Катіонування. Для гарячого водопостачання, якщо потрібне часткове пом'якшення достатньо одного ступеня катіонування.

Основним недоліком Na– катіонування є перетворення карбонатної жорсткості води на бікарбонат натрію, що зумовлює високу натрієву лужність котлової води, так як у парогенераторі бікарбонат натрію перетворюється на карбонат та гідроксид натрію.

Ca(HCO 3) 2 + 2Na + R - → Ca 2+ R 2 - + 2NаНCO 3

Пом'якшення шляхом Na– катіонування застосовується для води з відносно малою карбонатною жорсткістю, перетворення якої на бікарбонат натрію не викликає надмірного збільшення продування парогенераторів, а також не створює небезпечної для парогенераторів підвищеної відносної лужності котлової води.

4.4 Н- катіонування

Обробка води методом Н-катіонування призначається видалення всіх катіонів з води із заміною їх у іони водню. Вода за Н-катіонітних фільтрів містить надлишок іонів водню і внаслідок цього має кислу реакцію, тому ця технологія застосовується спільно з іншими процесами іонування - Na-катіонування або аніонування.

Метод Н- катіонування заснований на пропуску води, що обробляється через катіоніт відрегенерованої кислоти. У процесі фільтрування катіони, що містяться в оброблюваній воді, обмінюються на іони водню, що містяться в катіоніті, при цьому протікають наступні реакції:

2HR + Ca(HCO 3) → CaR 2 + 2CO 2 + 2H 2 O

2HR + Mg(HCO 3) → MgR 2 + 2CO 2 + 2H 2 O

2HR + CaCl 2 → CaR 2 + 2HCl

2HR + CaSO 4 → CaR 2 + H 2 SO 4

HR + NaCl → NaR + HCl

2HR + Na 2 SO 4 → 2NaR + H 2 SO 4

Поряд з наведеними вище реакціями протікає процес витіснення з катіоніту раніше поглинених іонів. Na+ іонами Ca 2+ і Mg 2+ , внаслідок чого катіоніт за іонами натрію виснажується швидше, ніж по іонах Ca 2+ і Mg 2+ , Які, будучи двовалентними, сорбуються катіонітом краще. Через неоднакову сорбируемость іонів різної природи їх "проскок" у фільтрах відбувається неодночасно. При Н- катіонування природних вод до моменту проскоку Naв Н- катіонованій воді містяться тільки кислоти, при цьому кислотність фільтра виходить рівною сумарної концентрації хлоридів і сульфатів в оброблюваній воді. При роботі Н- катіонітового фільтра від моменту "проскоку" Naдо моменту проскоку жорсткості у фільтраті відбувається наростання концентрації Naі відповідно знижується кислотність води.

Залежно від вимог до якості обробленої води технологія води Н- катіонування видозмінюється, Н- катіонування з видаленням з води Naздійснюється у системах часткового чи повного хімічного знесолення води. Для зниження лужності оброблюваної води можливе здійснення схеми паралельного Н-Naкатіонування. Однак завдяки ряду переваг ширше застосування знайшла схема Н- катіонування з "голодною" регенерацією фільтрів і наступним Na- Катіонуванням. Усі технологічні схеми Н-Naкатіонування води переслідують мету пом'якшення води та одночасного зниження її лужності та солевмісту, а також видалення вуглекислоти.

4.5 Схема Н-катіонування з ""голодною"" регенерацією

При звичайному Н- катіонування регенерація проводиться з питомою витратою кислоти в 2-2,5 рази більше теоретично необхідного, який відповідає процесу еквівалентного обміну катіонів між розчином та катіонітом. Надлишок кислоти, що не бере участі в реакціях обміну іонів, скидається з фільтрів разом із продуктами регенерації. При голодній регенерації Н-катіонітового фільтра питома витрата кислоти дорівнює його теоретичній витраті (питомій), тобто 1 гекв = 1 гекв. Всі іони водню регенераційного розчину при цьому повністю затримуються катіонітом, внаслідок чого регенераційний розчин, що скидається, і відмивальні води не містять кислоти.

На відміну від звичайних Н-катіонітових фільтрів, в яких весь шар катіоніту при регенерації перекладається в Н-форму при голодному режимі Н-форму перекладаються тільки верхні шари, а нижні шари катіоніту залишаються в сольових формах і містять катіони Ca 2 + , Mg 2+ , і Na+. У верхніх шарах катіоніту відрегенерованого голодною нормою кислоти при роботі фільтра мають місце всі реакції іонного обміну, наведені вище для Н- Катіонування.

У нижчих неотрегенерованих шарах катіонітні іони водню мінеральних кислот, що утворилися, обмінюються на іони Ca 2 + , Mg 2+ , і Na+ за рівняннями:

CaR 2 + 2HCl → 2HR + CaCl 2

NaR + HCl → HR + NaCl

MgR 2 + H 2 SO 4 → 2HR + MgSO 4

Відбувається нейтралізація кислотності води і при цьому відновлюється її некарбонатні жорсткість ( постійна жорсткість), а зона шару, що містить іони водню, зміщується поступово до низу.

Оскільки вугільна кислота, що міститься у воді, є слабкою, у реакціях іонного обміну вона може брати участь тільки після видалення сильних кислот. У нижніх шарах фільтра цей процес завершиться до повного відновлення карбонатної жорсткості не встигає, тому фільтрат має малу карбонатну жорсткістьчисельно рівну лужності та містить багато вуглекислоти. До моменту закінчення робочого циклу фільтра іони водню, введені в катіоніт при регенерації, повністю видаляються з катіоніту у вигляді H 2 CO 3, який знаходиться в рівновазі з Д- гідратованою формою СО 2:

H 2 CO 3 ↔ H 2 O + CO 2

Технологія Н– катіонування з «голодною» регенерацією забезпечує отримання фільтрату з мінімальною лужністю (виключення скидання кислих стоків при регенерації та кислого фільтрату у робочому циклі). Дана технологія рекомендована для обробки природних вод певного складу та при використанні катіоніту середньо або слабокислотного типу за умови правильного здійсненнярежиму регенерації При непостійності якості вихідної води, неточному дотриманні рекомендацій щодо застосування аналізованої технології Н- катіонування, щоб уникнути коливань лужності і «проскоків» кислого фільтрату після Н-катіонітних фільтрів з голодною регенерацією у схемі водопідготовчої установки (ВПУ) встановлюються буферні – нерегенеровані фільтри з висотою шару катіоніту 2 м та швидкістю фільтрування до 40 м/год. До буферних фільтрів не допускається підведення регенераційного розчину кислоти, розпушує промивання здійснюється освітленою водою.

Рисунок 4.5 – Схема протиточного іонітового фільтра типу ФІПр:

1 - підведення вихідної води; 2 – відведення обробленої води; 3 – 5 – підведення промивної води відповідно загальний, нижній розподільний пристрій (РУ) і блокує РУ; 6 – відведення промивної води; 7 - 9 - підведення регенераційного розчину відповідно загальний, в нижнє РУ і блокує РУ; 10, 11 – дренажі; 12 – гідрозавантаження; 13 - гідровивантаження; 14, 15 - підведення води для розпушування в середнє та нижнє РУ.

Витрата реагенту суттєво знижується, а якість фільтрату підвищується при застосуванні протиточної регенерації іонітного фільтра, схема якого наведена на рис. 4.5.

Конструкція фільтра, що виготовляється на ТКЗ, передбачає, крім верхнього та нижнього розподільних пристроїв, також середнє та блокуюче РУ, розташовані відповідно на глибині 0,3 м та біля вхідної поверхні шару іоніту. Середній розподільний пристрій призначений для рівномірного збору відпрацьованого регенераційного розчину та відмивальної води, що подаються через нижнє (80%) та блокуюче (20%) РУ. Блокуючий РУ служить для підведення розчину реагенту або відмивальної води, що використовуються для регенерації та затискання блокуючого шару іоніту. Розпушування піддається тільки блокуючий шар іоніту, а через 10-20 фільтроциклів розпушується весь шар.

Рисунок 4.6 - Схема двопоточного-противоточного іонітового фільтра типу ФІПр-2П: 1 – підведення вихідної води; 2 – відведення обробленої води або відпрацьованого регенераційного розчину та відмивальної води; 3 – підведення вихідної води або відведення відпрацьованої води; 4 – підведення регенераційного розчину; 5 - підведення води для розпушування; 6 – підведення регенераційного розчину та відмивальної води; 7 - підведення відмивальної води; 8 – відведення відпрацьованого регенераційного розчину та відмивальної води; 9 – дренаж; 10 - підведення води, що розпушує, дренаж.

Проміжним варіантом між протиточною та прямоточною регенераціями є двопоточно-протиточна регенерація, що здійснюється у фільтрі, представленому на рис. 4.6. Середнє РУ фільтрів, завантажених аніонітом або катіонітом, заглиблено в них на 0,6 та 1,0 м відповідно. Конструкція двопотоково-протиточного фільтра дозволяє використовувати його як в режимі однопотокового фільтрування та двопотокової регенерації, так і в режимі двопотокового фільтрування та однопотокової регенерації. При будь-якому режимі роботи у вихідному шарі іоніту здійснюється принцип протиточного іонування, при якому оброблена вода перед виходом з фільтра стикається з добре відрегенерованим шарами іоніту, завдяки чому забезпечується висока якість фільтрату при скорочених витратах реагентів на регенерацію іоніту. При роботі фільтра в режимі двопотокового фільтрування розпушування піддається весь шар іоніту, при однопоточному фільтруванні - тільки верхній шар, а розпушування всього шару проводиться через 10-20 фільтроциклів. При режимі однопотокового фільтрування та двопотокової регенерації 40 % розчину реагенту пропускається через верхній шар іоніту, 60 % – через нижній. При режимі двопотокового фільтрування та однопотокової регенерації весь регенераційний розчин проходить через обидва шари іоніту зверху вниз.

4.6 NH 4- катіонування

При NH 4- катіонування оброблювана вода фільтрується через шар катіоніту, відрегенерованого солями амонію ( NH 4 Clабо ( NH 4)2 SO 4). Іон амонію, що міститься в катіоніті, обмінюється на катіони. Са, Mg, і Na, присутні у природній воді, при цьому протікають реакції:

2NH 4 R + Ca(HCO 3) 2 → CaR 2 + 2NH 4 HCO 3

2NH 4 R + Mg(HCO 3) 2 → MgR 2 + 2NH 4 HCO 3 (гідрокарбонат амонію)

2NH 4 R + CaCl 2 → CaR 2 + 2NH 4 Cl

2NH 4 R + MgSO 4 → MgR 2 + (NH 4) 2 SO 4

NH 4 R + NaCl → NaR + NH 4

Як видно з реакцій обміну у фільтраті утворюються солі амонію, відповідні аніонам, що є у воді. NH 4- катіонована вода пом'якшується, а її лужність така ж як у вихідної води. При нагріванні води в котлі солі амонію розкладаються:

NH 4 HCO 3 →(t) NH 3 + H 2 O + CO 2

NH 4 Cl →(t) NH 3 + HCl

(NH 4) 2 SO 4 →(t) 2NH 3 + H 2 SO 4

Аміак, що утворюється при розкладанні, і вуглекислотна кислота відносяться парою, а в котловій воді залишаються соляна і сірчана кислоти. Щоб уникнути корозії металу труб під дією кислот застосування NH 4- катіонування в енергетичній практиці завжди поєднується з Na- Катіонуванням. В процесі Na- катіонування йде перетворення гідрокарбонату Naв бікарбонат, який у казані розкладається з утворенням соди та їдкого натрію:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

H 2 O + Na 2 CO 3 →(t) 2NaOH + CO 2

Вуглекислота виноситься парою, а Na 2 CO 3і NaOHнейтралізують кислотність води, що виникає при термічному розкладанні солей амонію. Щоб запобігти надмірному зниженню лужності котлової води у поєднанні NH 4- катіонування з Na- катіонуванням здійснюють з розрахунком отримати в пом'якшеній воді концентрацію іонів HCO 3- на 0,3 - 0,7 мгекв/л більше концентрації іонів амонію. Пара котлів, що харчуються NH 4, Na– катіонованою водою завжди містить велика кількістьаміаку. Враховуючи цю обставину NH 4- катіонованої води не слід застосовувати, коли в тепловій схемі котельної установки є апарати та деталі з латуні або мідних сплавів або коли пара використовується для систем гарячого водопостачання або відкритих систем теплопостачання. На всіх підприємствах, де в парі не повинен утримуватися аміак від NH 4- Катіонування відмовляються.

4.7 Схема Na-Cl- катіонування

Цей метод заснований на застосуванні катіоніту в Na– формі та аніоніту в Cl- Формі. Регенерація обох іонів проводиться розчином кухонної солі.

Cl– катіонування здійснюється після попереднього Na- Катіонування. Вода, що обробляється, пом'якшується, в ній залишаються тільки солі Na (NaНСО 3, NaCl, Na 2 SO 4, NaNO 3і т.д.). Потім під час пропуску Na- катіонованої води через сильноосновний аніоніт Cl- Формі протікають реакції обміну аніонів, що містяться в Na- катіонованої води, на іони Cl, що знаходяться в аніоніті:

RCl+NaHCO 3 → RHCO 3 +NaCl

RCl+NaNO3 → RNO3+NaCl

2RCl+Na 2 SO 4 → R 2 SO 4 +2NaCl

Внаслідок сорбції іона HCO 3- знижується лужність води, що обробляється, вона мінімальна на початку робочого циклу, а потім постійно збільшується. Кінець робочого циклу Cl- Аніонітового фільтра встановлюють за зростанням лужності фільтрату до заданої величини.

Практика показала, що застосування слабоосновних аніонітів в описаній технології виявилося неможливим, оскільки після 2-3-х регенерацій розчином кухонної солі аніоніти цього типу не відновлюють обміноємності. Застосування сильноосновних аніонітів пов'язане з необхідністю використання таких методів попереднього очищення, щоб вода не містила залізо і органічних речовин.

У підземних водах часто міститься 2-х валентне залізо і тому вода повинна заздалегідь знезалізуватись.

Поверхневі води, для яких обов'язкова коагуляція, зазвичай, при необхідності зниження лужності обробляються вапном, після чого вони не потребують Na-Cl- катіонування.

Для регенерації аніоніту потрібна кухонна сіль високої якості з мінімальним вмістом домішок.

Умови застосування цієї технології:

1.

2. мгекв/л

У котельних агрегатах потрібна глибоко пом'якшена вода, для чого застосовується 2-ступінчасте. Na- Катіонування. В разі Na-Cl- катіонування після Na- катіонітних фільтрів 1-го ступеня, ставляться фільтри 2-го ступеня, де Na- катіонування поєднується з Cl- Катіонуванням. При цьому вниз фільтра завантажується катіоніт, а зверху поміщається аніоніт. У процесі регенерації фільтра другого ступеня розчином кухонної солі іони Nа+ регенерують катіоніт, а іони Cl- Аніоніт.

Витрата кухонної солі – 100÷120 мг/м 3 аніону. Регенераційний розчин готується на пом'якшеній воді. Витрата води на відмивання фільтрів – 3÷4 м3/м3. Швидкість фільтрування – 15÷20 м/год. Кількість фільтрів – 2÷3.

Na-Cl- катіонітний фільтр розраховується як Na- катіонітний першого ступеня, а необхідний обсяг аніоніту визначається за іоном HCO 3- 280÷300 гекв/м3.

Шар аніоніту у фільтрі мінімально необхідний, кількість регенерацій трохи більше 2 разів на добу. Шар катіоніту визначається як різниця загальної висоти шару завантаження за вирахуванням висоти шару аніоніту, але не менше 500 мм.