Исследование качественного и количественного химического состава шлама водозабора МГКУП «Горводоканал»

рис.1.1 Пробоотборник для шлама

А- в открытом положении, Б- в закрытом положении,

1,2- крышки, 3-стержень, 4- приспособление для открывания и закрывания крышек

В первом случае пробы отбирают вручную при помощи пробоотборников различной конструкции. Пробоотборники опускают на заданную глубину и там их открывают. Отобранные из различных слоев пробы смешивают и получают среднюю пробу. Пробоотборник для отбора шлама имеет два отверстия – верхнее и нижнее – открываются и закрываются одновременно при помощи крышек, соединенных стержнем (рис.1.1) [2, с. 12].

1.5. Объект исследования

Для проведения исследований нами использовались образцы шлама, накопленного в водоемах-шламонакопителях Карабановского водозабора МГКУП «Горводоканал» г. Могилева. Располагается он в северо-западной части Могилева. Первая скважина была пробурена в 1939 году. К настоящему времени пробурено 26 скважин. Расстояние между скважинами составляет 200-300 метров. Артезианская вода из скважин по системе сборных водоводов поступает на станцию обезжелезивания, и после очистки поступает в резервуары. Из них насосами II-го подъема подается в городскую водопроводную сеть.

На Карабановском водозаборе работает 9 гравийных фильтров. Фильтры чистят периодичностью 1 раз в 4 суток. Разрешенный водоотбор данного водозабора составляет 32,4 тыс м3/сут. Производительность данной насосной станции составляет 17 тыс м3/сут. Исходя из того, что среднее содержание добываемого железа равно 4 мг/л, а по санитарным нормам [1,с.5] содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л, следовательно, можно рассчитать, что в течение года накапливается около 36,5 тонн шлама, что соответствует 23 тоннам в год в пересчете на чистое железо.

Для отбора проб использовался трубчатый пробоотборник, обеспечивающий отбор проб донных отложений без нарушения их стратификации. Пробы отбирались по горизонтам в четырех точках водоема-шламонакопителя (19, с. 1-3).

1.6. Методы исследования

    К наиболее известным и информативным методам исследования шламовых отходов можно отнести термический анализ, ИК-спектроскопический анализ и химические методы анализа.

Теоретические и прикладные аспекты ИК-спектроскопии

В настоящее время широко применяются физико-химические методы анализа, позволяющие получить ценные сведения не только о химическом составе и структуре биологических объектов, но также об изменении состояния элементов природной среды. Одним из современных и распространенных методов физико-химического анализа является метод инфракрасной спектроскопии. Преимущества этого метода велики:

1.      ИК-спектры есть, прежде всего, молекулярные спектры. Они отражают малейшие изменения в структуре молекул, и поэтому метод ИК-спектроскопии применяется для идентификации соединений.

2.      Максимумы поглощения и отражения в ИК-спектрах часто могут быть многочисленными, но они всегда являются строго характеристичными для определенного вида химических связей и функциональных групп .

3.      ИК-спектроскопия применяется даже в тех случаях, когда располагают очень малым количеством вещества. В результате воздействия мягким ИК-излучением объекты исследования не подвергаются деструкции, в частности, фотолизу или термолизу. Разнообразные приемы ИК-спектроскопии позволяют осуществлять исследование проб в любой агрегатной фазе, не разрушая при этом исходную структуру соединения, а также проводить анализ в нативном состоянии.

4.      Интенсивность поглощения прямо пропорциональна концентрации поглощающих связей или групп. Поэтому, измеряя интенсивность полос поглощения, после относительных вычислений, определяют количество химических групп в объекте исследования. Число полос, их положение в спектре и относительная интенсивность являются основой современного качественного и количественного анализа методом ИК-спектроскопии, источником информации при изучении взаимодействия между отдельными компонентами объектов исследования.

              Природа ИК-спектров поглощения обусловлена способностью атомов и молекул, находящихся в химических группах и взаимосвязанных, поглощать часть электромагнитного излучения на резонансных частотах. Полосы поглощения в спектрах соответствуют резонансным частотам колебаний химических связей и групп. ИК-спектры поглощения являются колебательными, т.е. возникают за счет колебаний химических групп.

              Метод инфракрасной спектроскопии предоставляет возможность получения уникальной научной информации о составе, состоянии и изменениях в исследуемых веществах, материалах, объектах. После соответствующей интерпретации ИК-спектров, на основе их информации, можно осуществлять комплексный анализ.

ИК-спектры поглощения каждого конкретного соединения содержат определенное количество полос (пиков) поглощения, которые являются строго характеристическими и благодаря этому позволяют оценивать прежде всего состав исследуемого объекта. Интерпретация спектров – сложный процесс, осуществляемый с помощью специальных таблиц характеристических частот, атласов, а также компьютерных программ и баз данных ведущих исследовательских центров и лабораторий [13, с. 35].

        Инфракрасный фурье-спектрометр ИнфраЛЮМ ФТ‑02 предназначен для регистрации спектров поглощения или пропускания жидких, твердых и газообразных веществ в средней инфракрасной области, т.е. в диапазоне 350…6000 см-1 .

Области применения этого прибора – это экологический контроль воздушной и водной среды, контроль производственных процессов в химической, нефтехимической, фармацевтической и пищевой промышленности, минералогия, геохимия, криминалистика, научные исследования.

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений.

Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения  и столько же видов спектров  поглощения. Линейчатые спектры играют особо  важную роль, потому что их структура прямо связана со строением  атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими  внешних воздействий.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят  только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического  элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн. На этом основан спектральный анализ – метод определения химического  состава вещества по его спектру [13, с.37].

Первой ступенью работы на спектрометре является проведение измерений. В приборе использована однолучевая оптическая схема, поэтому сначала необходимо измерить фоновый спектр (спектр - сравнения), а затем спектр пропускания или поглощения анализируемого вещества [13, с.37].

В качестве фонового спектра регистрируется спектр воздуха или спектр растворителя (при работе с растворами). Рекомендуется проводить измерение фонового спектра ежедневно в начале работы. При выполнении измерений повышенной степени точности проводите измерение фонового спектра перед каждым анализом.

Теоретические основы термогравиметрии (ТГ)

Посредством метода ТГ можно с высокой степенью точности определить характер и величину изменения массы пробы с ростом температуры. На основании кривой ТГ можно также производить стехиометрические расчеты или вычисления процентного содержания. На основе сигнала ТГ можно измерить или рассчитать дифференциальную кривую термогравиметрического анализа – кривую, которая показывает изменение скорости потери массы в зависимости от времени анализа или температуры образца.

Аппарат, с помощью которого проводят такой анализ, называется термовесы. Однако в последнее время наиболее часто применяются дериватографы – приборы, которые наряду с сигналом потери массы (ТГ) могут получать информацию о тепловых процессах, которые протекают внутри исследуемого образца. Изучение термических эффектов, протекающих во время нагревания вещества называется дифференциально-термический анализ (ДТА). Дериватограф Netzsch STA 409 EP/2 разработан для применения как в диапазоне высоких, так и низких температур и позволяет проводить измерения от комнатной температуры до 1280 °С. Установка работает автоматически. Кривые, характеризующие наблюдаемые изменения (кривые ТГ, ДТА), записываются универсальным микровольтовым регистратором.

Сущность метода. Образец исследуемого вещества нагревают с постоянной скоростью до заданной конечной температуры, фиксируя при этом изменение массы. По достижении образцом некоторой температурной величины начинает происходить группа реакций, скорость которых становится заметной при данной температуре. При этом скорость потери массы увеличивается и вновь падает после завершения реакции. Таких брутто-стадий при термодеструкции одного образца может быть несколько. Эти стадии могут протекать с выделением или поглощением тепла, поэтому при постоянной скорости подвода тепла рост температуры образца может ускоряться (в случае экзотермического эффекта) или замедляться (если тепловой эффект эндотермический).

Принцип работы дериватографа. Первые конструкции дериватографов были разработаны в 50-х годах. С тех пор приборы непрерывно совершенствовались, их возможности расширялись, но общий принцип работы дериватографа остался неизменным. Его можно описать следующим образом[14, с. 40].

В два одинаковых тигля (платиновых или керамических), конструкция которых обеспечивает замер температуры непосредственно в навеске вещества, загружают исследуемый образец и инертное в условиях анализа вещество (А12Оз или МgО) и помещают оба тигля в электропечь прибора. Печь снабжена термовесами и дифференциальной термопарой, которые позволяют осуществить необходимые измерения.

Как правило, термический анализ проводят без доступа кислорода, чтобы исключить реакции окисления. Обычно для создания инертной атмосферы используют азот. Вид дериватограммы в заметной мере зависит и от условий газовыделения. Если скорость образования газообразных веществ выше скорости их удаления, то внутри пробы накапливаются газообразные продукты, влияющие на ход термодеструкции. Чтобы избежать накопления газов, в дериватографе предусмотрен их отсос. На результаты анализа влияют величина навески и гранулометрический состав вещества, поэтому при проведении сравнительных исследований надо учитывать эти факторы и проводить процессы в сопоставимых условиях.

В результате нагрева масса навески исследуемого образца изменяется, и стрелка весов отклоняется от равновесного состояния. Движение коромысла весов фиксируется регистрирующим устройством. Скорость изменения массы устанавливается с помощью катушки с большим числом витков,   находящейся   в   равномерном   поле   постоянного   магнита   и соединенной с плечом коромысла весов. Отклонение весов приводит в движение катушку. При пересечении витками катушки силовых линий магнитного поля возникает ЭДС, величина которой пропорциональна скорости движения катушки и фиксируется зеркальным гальванометром. Следовательно, величина ЭДС, возникающая в катушке, пропорциональна скорости изменения массы образца. Таким образом, по величине перемещения коромысла весов можно оценить величину потери массы (кривая ТГ), а по скорости перемещения построить кривую ДТГ.

Дифференциальная термопара образована путем соединения двух одинаковых термопар навстречу друг другу по направлению ЭДС. Один спай термопар помещают в исследуемый образец, другой — в инертное вещество, в котором не наблюдается тепловых эффектов в выбранном интервале температур. В случае отсутствия тепловых эффектов суммарная ЭДС будет равняться нулю за счет взаимной компенсации ЭДС термопар. При протекании в образце процессов с поглощением или выделением тепла темп нагрева либо замедляется, либо ускоряется, соответственно, баланс ЭДС нарушается. Появление суммарной ЭДС фиксируется гальванометром, подсоединенным к термопаре. Величина отклонения стрелки гальванометра пропорциональна разности температур образцов, а знак отклонения определяется знаком теплового эффекта наблюдаемой реакции. Таким образом, по температуре образца строится кривая Т, а исходя из ЭДС дифференциальной термопары – кривая ДТА.

В результате была получена дериватограмма исследуемого образца со следующими величинами: изменение температуры, изменение массы образца и ДТА [14, с. 42,45].

Химический (качественный) анализ

Качественное определение катионов в растворе при приме­нении систематического хода анализа начинается с последовательной обработки иссле­дуемого раствора различными реактивами, которые осаждают отдельные группы ионов в виде труднорастворимых соединений.

Осадки отдельных групп подвергаются затем дальнейшей обработке реактивами, которые позволяют произвести разделе­ние ионов. Присутствие тех или иных ионов подтверждается характерными реакциями.

Разделение катионов по этой схеме может привести к над­лежащим результатам только в том случае, если групповые реактивы применяются в определенной, указанной последова­тельности, в противном случае будут осаждаться другие ионы, не принадлежащие к данной группе.

В системном анализе все катионы разделены на пять аналитических групп. К первой аналитической группе относят NH4+, Li+, Na+, K+ , Mg+2. Ко второй аналитической группе относят катионы Ca+2, Sr+2, Ba+2, Ra+2. К третьей аналитической группе относят катионы Be+2, Al+, Cr+3, Mn+2, Fe+3, Fe+2, Co+2, Ni+2, Zn+2. К четвертой аналитической группе относят катионы Hg+2, Cu+2, Bi+3, Cd+2, Pd+2, Sn+2, Sn+4, Sb+3, As+3, As+5. к пятой аналитической группе относят катионы Ag+ Pb+2 Cu+ Au+.

Приготовление раствора для анализа катионов заключается в следующем: если исследуемое вещество — раствор с осадком, то отделяем осадок от раствора и обрабатываем его при нагрева­нии возможно малым количеством НС1, НNО3 или царской водки. Если осадок растворится полностью, то присоединяем по­лученный раствор к основному раствору. Далее проводим системный полумикроанализ [15, с. 126].