4.3. Вопросы и типовые задания к коллоквиуму Вопросы
1. Строение воды.
2. Физические и химические свойства воды.
3. Состав природных вод.
4. Распространение воды в природе. Роль воды в жизни и хозяйственной деятельности человека.
5. Требования к качеству воды различного направления использования.
6. Фазово-дисперсная характеристика примесей воды.
7. Удаление из воды грубодисперсных примесей.
8. Очистка воды от коллоидных примесей методом коагуляции.
9. Обезгаживание воды физическими и химическими методами: удаление из воды СО2, Н2S, O2.
10. Очистка воды от органических примесей. Обеззараживание воды.
11. Жёсткость воды: её виды, единицы измерения и влияние на качество воды.
12. Умягчение и обессоливание воды физическими методами.
13. Химические методы умягчения воды: известковый, известково-содовый, фосфатный.
14. Физико-химический метод умягчения воды: иониты, их ёмкость, механизм действия, регенерация.
15. Обезжелезивание воды.
16. Удаление из воды силикат-ионов SiO32‾.
17. Оценка методов очистки воды и критерии их выбора.
Типовые задания
Задание 1. Охарактеризуйте состав природных вод.
Ответ. Вода ─ универсальный растворитель, и поэтому в природе она не встречается в чистом виде. Она содержит гетерогенные примеси (грубодисперсные, коллоидные); органические и неорганические вещества; растворённые газы, различные соли, которые она вымывает из пород при контакте с ними. Особую группу примесей образуют живые организмы, населяющие её, и продукты их жизнедеятельности.
Гетерогенные примеси ─ это главным образом взвесь песка, глины, мела, частицы почвы и ила; а также плохо растворимые органические вещества (жиры, полимеры), которые образуют коллоидные растворы. Эти примеси придают воде мутность и окраску.
Из растворённых газов в природной воде следует отметить кислород О2, образующийся в результате фотосинтеза зелёных водорослей, и углекислый газ СО2,
образующийся вследствие дыхания живых организмов. Содержание кислорода выше днём.
Задание 2. Опишите, как проводится очистка воды от растворённых в ней газов ─ обезгаживание воды.
Ответ. Вода, как универсальный растворитель, содержит растворённые газы атмосферы ─ СО2, О2, а также газы, образующиеся при взаимодействии воды с породами, контактирующими с ней.
Наиболее опасными газами, вызывающими коррозию машин, механизмов, бетонов, являются углекислый газ СО2, кислород О2 и сероводород H2S. Удаление этих газов можно осуществить физическими методами, учитывая, что их растворимость падает с повышением температуры и понижением давления. Нагревание, вакуумирование применяются для малых объёмов воды. Чаще используется аэрация воды, т.е. продувка её воздухом, который, проходя через воду, будет уносить из неё другие растворённые газы, но не кислород.
Можно использовать химические методы очистки воды, учитывая природу удаляемого газа.
Сероводород, растворяясь в воде, проявляет кислые свойства, поэтому его можно удалить известкованием воды, заставляя ион S2‾ уйти из воды в виде труднорастворимого соединения:
H2S + Ca(OH)2 → CaS↓ + 2H2O.
C другой стороны, H2S проявляет восстановительные свойства, поэтому его можно разложить с помощью окислителей:
H2S + O2 → ↓S + 2H2O (мало кислорода),
H2S + 2O2 → Н2SО4 (много кислорода).
Но в первой реакции вода становится мутной из-за выделившейся коллоидной серы, и воду нужно будет обрабатывать коагулянтом для осветления, а во втором случае вода становится кислой, и её нужно будет нейтрализовать щелочными веществами.
СО2 ─ кислотный оксид, и его концентрацию в воде можно понизить обработкой известью:
Ca(OH)2 + СО2 → СаСО3↓ + Н2О
или фильтрованием воды через мраморную крошку
СаСО3 + СО2 + Н2О ↔ Са(НСО3)2.
В результате в первом случае вода мутнеет, а во втором становится жёсткой.
Любая обработка воды требует дополнительных операций по её последующей очистке.
Задание 3. Опишите сущность ионообменного метода умягчения воды.
Ответ. Это физико-химический метод умягчения, один из самых эффективных методов. Он основан на явлении обменной адсорбции ионов жёсткости (Са2+, Mg2+) на ионообменных смолах-катионитах, находящихся в кислотной или солевой форме:
2КатNa + CaCl2 → (Кат)2Са + 2NaCl,
2КатH + Ca(HCO3)2 → (Кат)2Са + H2CO3,
2КатNa + MgSO4 → (Кат)2 Mg + Na2SO4.
Метод очень эффективный, но дорогой, поэтому используется для глубокого умягчения воды после предварительного удаления солей жёсткости любым химическим методом.
Смола обладает обменной ёмкостью (ОЕ):
где а ─ коэффициент пересчёта единиц измерения.
После исчерпания ОЕ смолу подвергают регенерации раствором NaCl или раствором Н2SО4 в зависимости от формы, в которую должны вернуть катионит. После отмывки катионита дистиллированной водой от регенерирующего раствора смолу можно использовать снова для умягчения.