Химическое потребление кислорода как критерий чистоты воды в бассейне/М.Иванов
Опубликовано: 19 января 2016 г.
2027
Одним из способов удаления из воды нежелательных примесей является окисление их внешним агентом, в результате которого образуются нерастворимые продукты, удаляемые в процессе фильтрования. Окислению подвергаются вещества, входящие в состав микроорганизмов, определяющих микробиологическое состояние воды, что приводит к гибели микроорганизмов, а также другие примеси органической и неорганической природы. За полнотой протекания процесса окисления загрязнений следует осуществлять постоянный контроль.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Для контроля окисления загрязнений бассейна проводят анализы отобранных проб воды. При этом количество в ней примесей, способных к окислению, будет пропорционально количеству кислорода, затраченного на химическую реакцию. Именно поэтому, в соответствии с санитарно-техническими требованиями санитарных правил и норм, ГОСТ 53491.1-2009 «Бассейны. Подготовка воды», одним из параметров, определяющим качество воды в ванне бассейна, является окисляемость.
Окисляемость как показатель
Параметр окисляемости характеризует суммарное количество примесей (восстановителей), которые могут быть окислены кислородом в результате химических реакций с сильными окислителями. Обычно по российской терминологии этот показатель обозначается ХПК (химическое потребление кислорода), а по международной – «Chemical oxygen demand» (COD).
Величина ХПК по своей сущности относится к категории интегральных показателей, поскольку затрагивает весь набор примесей, способных к окислению в данных условиях. То есть данный параметр качества воды не позволяет определить содержание загрязнений, а лишь указывает, что если его значение выше допустимых величин, то использование такой воды не рекомендуется. В то же время этот параметр является достаточно информативным показателем степени чистоты воды, поскольку в идеально чистой воде процессов окисления не происходит.
ХПК измеряется в миллиграммах газообразного кислорода, необходимого для окисления всех примесей, находящихся в 1 л исследуемой воды. Соответственно, единица измерения ХПК выражается в мг О2/л. Качество воды в ванне бассейна должно отвечать санитарно-гигиеническим требованиям санитарных правил и норм. Так, в соответствии с ГОСТ значение параметра «окисляемость перманганатная» должно находиться в пределах от 0,5 до 1,0 мг О2/л. Для того чтобы вода в бассейне наиболее долго удовлетворяла этим требованиям, необходимо, чтобы вновь поступающая вода соответствовала более жестким требованиям просто потому, что при эксплуатации бассейна происходит постоянное загрязнение водной среды. Поэтому перманганатная окисляемость подготовленной воды, поступающей в ванну бассейна, должна соответствовать 0–0,2 мг О2/л.
В соответствии с нормативными документами окисляемость в обязательном порядке определяют в исходной воде, в воде после проведения водоподготовки и в воде, находящейся в ванне бассейна.
Методики определения ХПК
В процессе окисления не все виды примесей в равной степени участвуют в химической реакции, да и процессы эти могут идти не до полной конверсии кислорода или останавливаться на образовании промежуточных продуктов. Поэтому среди широкого набора возможных загрязнений выделяются следующие группы веществ: легко окисляющиеся, нормально окисляющиеся и трудно окисляющиеся примеси. Такие вещества различаются по величинам равновесной конверсии. Это приводит к тому, что объем затраченного кислорода будет отличаться от реального количества примесей. Поэтому вводится такое понятие, как экспериментально определяемая величина ХПК, и теоретическое значение ХПКтеор., рассчитанное, исходя из потребностей кислорода для реального содержания примесей, определенных другим методом и окисленных до полного исчерпания.
Обычно при экспериментальном определении ХПК получают результаты, которые по своим величинам близки к значению ХПКтеор., но при этом всегда имеют некоторое отклонение в ту или иную сторону. На практике чаще всего наблюдаются случаи, когда ХПК < ХПКтеор.. Обычно это вызвано присутствием трудноокисляемых примесей. Кроме этого, к появлению расхождений между значениями ХПК и ХПКтеор. приводит присутствие среди загрязнений примесей неорганической природы. Поэтому часто для более полной характеристики процессов окисления используется отношение ХПК /ХПКтеор. .
Бассейны с чистой и грязной водой
Чаще всего для определения величины ХПК в качестве окислителей применяют атомарный кислород, который получают в результате различных химических реакций. Для генерации атомарного кислорода в большинстве случаев используют соединения, содержащие анионы бихромата или перманганата. Следует отметить, что величины ХПК, полученные в присутствии различных окислителей, имеют разные значения. Это вызвано рядом причин: химическими свойствами самого окислителя, его концентрацией при проведении анализа, температурой проведения исследования, рН воды и продолжительностью времени окисления примесей. Чтобы сравнивать результаты анализов по определению величины ХПК, процедуру определения следует проводить в строго нормированных условиях, указывая вид окислителя, например, ХПК бихромат. и ХПК перманганат.
Бихроматная окисляемость
Величину ХПК бихромат. часто называют бихроматной окисляемостью. Как показывают практические наблюдения, ее значение наиболее близко к величине ХПКтеор.. Это означает, что окисление примесей, способных к этому, осуществлено наиболее полно. Поэтому специалисты считают, что определение бихроматной окисляемости является основным методом определения ХПК. Процесс окисления протекает под действием бихромата калия, который восстанавливается в кислой среде в соответствии с реакцией:
(Cr2O7)2- + 14 H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O.
Важно отметить, что степень окисления многих видов примесей под действием бихромата калия достигает 95 %, а в некоторых случаях даже еще выше, вплоть до 98 %. Чтобы процесс окисления примесей проходил до высоких степеней превращения, его следует проводить в достаточно «жестких» условиях. Для этого пробу исследуемой воды необходимо кипятить в растворе 50 %-ной серной кислоты.
Однако при этом нужно помнить, что не все примеси окисляются в условиях проведения анализа. Толуол, бензол, пиридин и парафин при воздействии бихромата калия вовсе не окисляются. Для того чтобы и эти загрязнения все же были подвергнуты окислению, в анализируемую пробу вводят катализатор. Им может быть сульфат серебра.
Установка для ручного титрования
Аналитическое определение ХПКбихромат, проводится методом обратного титрования, при котором в исследуемую пробу воды вводят избыток раствора бихромата калия. При этом его часть расходуется для окисления примесей воды, а часть остается не израсходованной в растворе. Оставшийся избыток бихромата калия оттитровывают раствором соли Мора – FeSO4 (NH4)2SO4*H2O, представляющим собой комплексное соединение, хорошо растворимое в воде и растворах кислот.
При титровании остаток неизрасходованного количества бихромата вступает во взаимодействие с солью Мора, содержащей катион железа (II), который в водной среде в присутствии окислителей, в частности, Cr6+, легко переходит в окисленную форму железа (III):
3 Fe2+ + Cr6+ = 3 Fe3+ + Cr3+
Титрование раствором соли Мора производят в присутствии индикатора, в качестве которого обычно используют ферроин – (Fe2+ ) (C12H8N2)3SO4 – комплекс 1,10 фенатролина с сульфатом железа (II). В момент окончания титрования происходит отчетливое изменение окраски раствора от сине-зеленой до красно-коричневой.
Кроме того, в качестве индикатора используется и N-фенилантраниловая кислота, которая также может называться о-анилинобензойная или дифениламин-о-карбоновая кислота (эти названия являются сиснонимами). Такое соединение применяется в качестве индикатора при титровании не только бихроматов, но и перманганатов.
Для того чтобы результаты анализа по определению ХПК бихромат. были более точными, целесообразно проводить так называемый холостой опыт, в котором проба исследуемой воды должна быть заменена эквивалентным объемом дистиллированной воды. В холостом опыте следует проводить все этапы данного анализа, включая и стадию кипячения с раствором серной кислоты. При проведении расчетов ХПК бихромат. объем раствора соли Мора, израсходованного в холостом опыте, вычитается из величины объема титранта, потраченного в рабочем опыте.
Данная методика бихроматного окисления с незначительными изменениями приведена в отечественных нормативных документах, а также в международном стандарте ISO 6060-1989 «Качество воды. Определение химического потребления кислорода (ХПК)».
Перманганатная окисляемость
Помимо определения ХПК путем бихроматного окисления, довольно часто проводят окисление примесей в воде с помощью перманганата. Так определяют показатель чистоты воды, который часто называют перманганатной окисляемостью или ХПК перманганат. В зарубежной научной и нормативной литературе для аналогичной характеристики состояния воды используется такой термин, как «перманганатный индекс». При установлении ХПК перманганат. окисление примесей в обследуемой воде проводится раствором перманганата калия концентрацией 0,01 ммоль / л в среде серной кислоты и после кипячения в течение 10 мин. В процессе окисления примесей Mn7+ восстанавливается до Mn4+:
(Mn О 4) - + 8 Н + + 3 е == Mn4+ + 4 Н2 О.
Происходит образование диоксида марганца, который является катализатором процесса окисления.
Проведение анализа по определению величины ХПК перманганат. является более простым по сравнению с установлением значения бихроматной окисляемости. Однако этот способ имеет ограниченные области применения. Так, его целесообразно использовать лишь при анализе воды природных источников и систем централизованного водоснабжения, поскольку в такой воде присутствуют примеси преимущественно естественного происхождения, например, гуминовые кислоты. Для окисления таких загрязнений обычно не требуется использование сильных окислителей. Также величину ХПК перманганат. рекомендуется применять для контроля содержания в воде примесей на различных стадиях водоподготовки при ее подаче в бассейны.
Титровальная установка для определения ХПК
В соответствии с требованиями ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством» все водоисточники, пригодные для хозяйственно-питьевого водоснабжения, делятся на 3 класса. К 1-му классу относятся воды, полностью удовлетворяющие требованиям ГОСТ 2874-82, ко 2-му – вода, качество которой по отдельным показателям не соответствует требованиям данного нормативного документа, но эти недостатки могут быть устранены путем аэрирования, фильтрования и обеззараживания. Также к этому классу можно отнести источники с непостоянным качеством воды, связанным с сезонными колебаниями. К 3-му классу относятся воды, качество которых может быть доведено до требуемых нормативов путем использования методов, соответствующих 2-му классу, а также методов фильтрования с предварительным отстаиванием и реагентной очисткой.
Согласно ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного и хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора» для качества воды 1-го класса ХПК перманганат. должен быть не более 7,0 мг О/л. Для качества воды 2-го класса этот показатель не должен превышать 15,0, а для 3-го – быть менее 20,0.
К сожалению, некоторые виды примесей, которые могут находиться в воде, мешают точному определению значения ХПК перманганат.. В первую очередь это касается химических соединений, которые образуются в воде при диссоциации анионов хлора. Эти вещества довольно часто используются для дезинфекции воды в бассейнах. Их присутствие вызывает изменение величины ХПК перманганат. Если при малых концентрациях аниона хлора это влияние несущественно, то при значительном его содержании неточности в определении ХПК будут весьма ощутимы. Поэтому при концентрации анионов хлора в воде свыше 300 мг/л требуется устранить или, по крайней мере, минимизировать его влияние путем добавления в пробу воды сульфата ртути (II) в количестве из расчета 22,2 мг HgSO4 на каждый 1 мг хлора. Образующийся в этом случае сульфат ртути имеет относительно малую степень диссоциации даже при условиях кипячения пробы воды в присутствии высоких концентраций серной кислоты. За счет этого влияние концентрации анионов хлора на искажение величины ХПК перманганат. снижается.
Помимо титрометрических методов определения степени чистоты воды в бассейнах с помощью бихроматного и перманганатного окисления, известны также и инструментальные способы установления величины ХПК. Среди них можно упомянуть такие современные методы аналитической химии, как сжигание органических примесей, находящихся в пробе воды в токе кислорода или двуокиси углерода. Эти способы позволяют получать результаты, которые очень близки по своему значению к величине ХПК теор. . Однако проведение таких видов анализа невозможно без соответствующего приборного оснащения, которое требует значительных материальных затрат. В то же время для работы и обслуживания этих приборов необходим персонал достаточно высокой квалификации.
Статья из журнала "Аква-Терм"
