АНАЛИЗ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В ВОДЕ

10.1. Традиционные методы контроля мутности воды

Основными параметрами, характеризующими содержание твердой фазы в воде являются мутность, цветность и гранулометрический сос­тав взвеси.

Под мутностью воды понимают содержание в ней механических примесей, находящихся во взвешенном состоянии. Мутность в поверх­ностных водных источниках может меняться в значительных пределах: от 2-5 мг/л в северных реках до 10000 мг/л в реках, протекающих по южным степным районам.

Существуют различные методы определения мутности воды. Прос­тейшим из них является метод определения прозрачности по кресту или по шрифту. Однако, между содержанием взвешенных веществ в воде и прозрачностью однозначной связи нет, так как на прозрачность влияют и коллоидные загрязнения. Следовательно, метод определения прозрачности уже по своей физической сущности не может быть точ­ным. Часто применяют весовой метод, заключающийся в фильтровании исследуемой воды через предварительно высушенный плотный фильтр, высушивании этого фильтра с осадком и повторном взвешивании.

Су­ществуют также визуальные методы определения мутности, заключающиеся в сравнении исследуемой воды с эталонными суспензиями.

Широкое распространение в последнее время получили инструмен­тальные методы измерения мутности на фотоэлектрических калориметрах.

Для сопоставления применяемых в настоящее время методов изме­рения мутности были выполнены сравнительные исследования наиболее распространенных из них [35].

Исследования заключались в следующем: были приготовлены ис­кусственные пробы воды с мутностью 0,5; 2.0; 10.0; 50.0 мг/л. В качестве замутнителя применялась коалиновая глина. Дисперсионной средой была дистиллированная вода. Величины мутности приготовлен­ных проб были измерены способами определения прозрачности по крес­ту, весовым способом и на фотозлектрокалориметре. В процессе изме­рений производился хронометраж всех операций процессов измерения и определялась относительная погрешность получаемых результатов. Ре­зультаты выполненных исследований приведены в таблице 3.

Таблица 3

Сопоставление различных способов измерения мутности воды

Анализ полученных результатов показал, что ни один из исполь­зованных способов не позволяет быстро и с достаточной степенью точности производить измерения мутности. Следовательно, исследованные методы не дают возможности полу­чать достоверные результаты.

10.2 Приборы серийного производства для измерения мутности воды

Серийно выпускаемые датчики мутности воды можно ориентировочно разделить на два основных типа:

1. Нефелометры, которые измеряют долю света, рассеиваемого под определенным углом отпадающего пучка луча, например, под углом 90°.

2. Абсорбциометры, принцип действия которых основан на измерении поглощения (или ослабления) проходящего через пробу пучка света.

Нефелометрыфиксируют свет, рассеиваемый взвешенными в пробе частицами. Для них наиболее распространена нефелометрическая оптическая схема с углом 90°. Не следует путать такие приборы с приборами,

основанными на прямом или обратном рассеивании света. Использование нефелометров позволяет решить многие проблемы, например, связанные с цветом или недостатком чувствительности

Вабсорбциометрахпучок света проходит через пробу, и его интенсивность измеряется фотоприемником, расположенным на одной линии с источником света. На измерение мутности с помощью абсорбциометров может влиять присутствие растворенных красителей. Однако такое влияние минимизируется выполнением измерений на длине волны 880 нм, находящейся в инфракрасной области спектра. В этом случае система имеет низкую чувствительность, так как изменения низких значений мутности приводят к очень небольшому изменению выходного сигнала датчика, которое трудно измерить. Обычно такой проблемы не возникает при средних и высоких значениях мутности, поэтому данный метод оказывается надежным для многих областей применения.

Большая часть анализаторов мутности, используемых в отрасли водоснабжения, применяется для установок очистки питьевой воды, хотя измерения мутности также применяются и на установках очистки канализационных сточных вод. Обычно приборы, применяемые на установках очистки канализационных сточных вод, используются для определения содержания взвешенных твердых веществ, поэтому они

калибруются не в единицах измерения мутности NTU, а в мг/л.

На установках очистки питьевой воды требуется измерение мутности поступающей сырой воды, воды в процессе обработки, а также для определения качества очищенной воды. В качестве ориентировочного правила можно указать, что для измерения значений мутности ниже 100 NTU следует использовать датчики нефелометрического типа, а для значений мутности выше 100 NTU лучше подходят абсорбционные датчики.

Как абсорбциометры, так и нефелометры калибруются с помощью суспензий формазина. В связи с этим обеспечивается хорошее совпадение для различных значений по формазину. При этом необходимо отметить, что результаты, получаемые с использованием двух любых методов измерения мутности с калибровкой по формазину, обычно различаются для реальных проб. Конкретное взаимодействие пучка света с твердой частицей зависит от большого числа параметров, например, от длины волны источника света, размера частицы, формы и показателя преломления частицы

может использоваться для проб с мутностью 200 NTU.

10.3 Новые автоматические мутномеры

К настоящему времени в России и за рубежом разработал целый ряд автоматических мутномеров, основанных на оптических изменени­ях. К ним относятся мутномеры системы АКХ, объединения "Аналитприбор", производства ФРГ, США, Японии, Швейцарии [36]. Однако, боль­шинство из них не позволяет достигнуть необходимой точности изме­рения или производит измерения в узких диапазонах мутности воды.

В Вологодском государственном техническом университете разработаны мутномеры двух конструкций: М-1 и М-2.

Мутномер М-1 предназначен для особо точных измерений при ма­лой мутности воды (рис.28).

Рис.28. Схема мутномера М-1

Мутномер содержит корпус 1, измерительный цилиндрический со­суд 2, расположенный в корпусе вертикально и имеющий дно 3 со встроенной выпуклой линзой 4. Дно 3 выполнено в виде клапана, уп­равляемого пружинами 5 и 6 и электромагнитами 7 к 8. В состав при­бора входят также оптический блок 9 для формирования светового по­тока, электродвигатель 10 с передачей 11 для вращения измеритель­ного сосуда 2, фотоприемник 12, труба для подвода воды 13 с элект­ромагнитным клапаном 14, труба для отвода воды 15, блок управления 16, в состав которого входит прибор для регулирования накала лампы 17. Фотоприемник 12 и электромагниты 7 и 8 располагаются в закры­том корпусе 18, к которому присоединена труба 19 для подвода кабе­ля к блоку управления 15. Измерительный цилиндр 2 имеет возмож­ность вращаться внутри корпуса 1 на подшипниках 20. На нижней час­ти измерительного сосуда 2 имеется герметизирующая прокладка 21.

Мутномер работает следующим образом.

В начальном положении включен электромагнитный клапан 14 и электромагниты 7 и 8. Между измерительным сосудом 2 и выпуклым дном 3 имеется зазор. Исходная вода поступает в корпус 1 по трубе 13, протекает через цилиндр 2, зазор между корпусом 1 и цилиндром 2, зазор между цилиндром 2 и дном 3 и вытекает через трубу 15 на слив. Периодичность повторения измерений мутности устанавливается с помощью реле времени, входящего в состав блока управления 16.

По сигналу, поступающему из блока управления 16, электромагнитный клапан 14 перекрывает подачу воды по трубе 13 и после опо­рожнения корпуса 1 отключаются электромагниты 7 и 8, в результате чего выпуклое дно 3 с помощью пружин 5 и 6 плотно прижимается к ци­линдру 2.

По сигналу от блока управления 16 включается электродвига­тель 10, который с помощью передачи 11 вращает измерительный ци­линдр 2 с дном 3 е течение определенного времени, достаточного для удаления капель воды с поверхности линзы 4. Такое "высушивание" линзы 4 путем центробежного удаления капель волы позволяет прово­дить калибровочный первичный замер через воздух, а не через эта­лонную жидкость, что повышает точность калибровки и исключает не­обходимость подвода к мутномеру эталонной жидкости при автомати­ческом измерении. Это значительно упрощает его конструкцию.

По сигналу блока управления 16 электродвигатель 10 отключает­ся и вращение измерительного сосуда прекращается. В этот же момент подается напряжение на лампу 17 и световой поток, проходя через оптический блок 9, пустой измерительный цилиндр 2 линзу 4 попадает в фотоприемник 12, от которого электрический сигнал поступает в блок управления 16.

Блок управления 16 изменяет уровень освещен­ности лампы, доводя его до номинального, соответствующего режиму калибровки. Величина напряжения, соответствующая номинальному уровню освещенности лампы запоминается блоком управления 16. После этого по сигналу блока управления 16 отключается лампа 17 и вклю­чаются электромагниты 7 и 8 и электромагнитный клапан 14. Вода протекает через корпус 1 и измерительный цилиндр 2. Затем последо­вательно отключаются сначала электромагниты 7 и 8, закрывая дном цилиндр 2, а затем электромагнитный клапан 14, прекращая подачу воды в корпус 1. В цилиндре 2 задерживается определенный объем во­ды. Избыток воды стекает по зазору между цилиндром 2 и корпусом 1 и удаляется через трубу 15. Такое движение воды по за­зору непосредственно перед проведением вторичного замера интенсив­ности светового потока через исследуемую воду позволяет исключить влияние на погрешность измерений конвекционных токов воды, вызван­ных разницей температур на наружной поверхности измерительного со­суда 2 и внутри сосуда. Это создает условия для исключения попада­ния одних и тех же частиц неоднократно под световой поток, что увеличивает точность измерений. После прекращения движения воды по сигналу блока управления 16 снова подается напряжение на лампу и производится аналогичное первичному световому потоку регулирование накала лампы при вторичном световом потоке, проходящем через исс­ледуемую воду. Блок управления 16 определяет разности напряжений, поданных на лампу 17 при вторичном и первичном (калибровочном) световых потоках и по этой разности определяет мутность исследуе­мой воды.

Мутномер М-2 [37] предназначен для проведения измерений с несколько меньшей точностью, чем на мутномере М-1, но в максималь­но широком диапазоне измерений (рис.29).

Для этого в одном приборе совмещены два оптических способа: определения интенсивности прошедшего через исследуемую пробу света и определения интенсивности рассеянного- частицами света.

Мутномер содержит оптический блок 1, создающий направленный световой луч; измерительный сосуд У-образной формы 2; внутренний сосуд 3 с трубой для отвода воды 4; патрубок для подачи воды 5 с электромагнитным клапаном 5; дренажный штуцер 7 с электромагнитным каланом 8; фотоприемник 9, регистрирующий отраженный частицами взвеси свет; фотоприемник 10, регистрирующий величину светового потока; блок управления 11; измерительный прибор 12 и защитное стекло 13.

Мутномер работает следующим образом.

Перед началом измерения по сигналу блока управления 11 элект­ромагнитный клапан 6 перекрывает подачу воды на входном патрубке 5 и в этот же момент электромагнитный клапан 8 перекрывает выпуск воды на дренажном штуцере 7. При этом избыток воды из измери­тельного сосуда 2 сливается во внутренний сосуд 3 и отводится по отводящей трубе через отверстие 4. В измерительном сосуде 2 движение воды прекращается и задерживается определенный объем во­ды, необходимый для проведения измерения.

По команде блока управления 11 от оптического блока 1 в изме­рительный сосуд 2 направляется световой луч.

Рис. 29.Схема мутнометра М-2

В этот же момент включается в работу фотоприемник 9. Отраженный от взвешенных час­тиц свет регистрируется фотоприемником 9, который в зависимости от интенсивности этого света подает соответствующий электрический сигнал через блок управления 11 на измерительный прибор 12. Так как в измерительном сосуде вода неподвижна, частицы взвеси могут двигаться только в вертикальном направлении, что исключает возмож­ность их неоднократного попадания под световой луч и, следова­тельно, уменьшает погрешность измерения.

Кроме того V-образная конструкция измерительного сосуда "уводит" световой луч в его левую часть, поэтому отраженный от стенок или рассе­янный свет не может попасть на фотоприемник 9. Это также уменьшает погрешность измерения.

Если же концентрация взвешенных частиц настолько мала, что от фотоприемника 9 в блок управления 11 электрический сигнал не пос­тупает, или этот сигнал слишком слаб, через несколько секунд после начала измерения по команде блока 11 фотоприемник 9 выключается из работы и в работу включается фотоприемник 10, который регистрирует силу светового луча, прошедшего через весь измерительный сосуд пу­тем отражения от его стенок, и попадает соответствующий электри­ческий сигнал через блок управления 11 на измерительный прибор 12. Такое удлинение пути светового луча при малом содержании взвешенных в воде частиц значительно повышает вероятность его встреч с этими частицами, что позволяет определять величины малой мутности годы и уменьшает погрешность измерений. После получения соответствующего электрического сигнала от фотоприемника 9 или 10 и индикации этого сигнала на

измерительном приборе 12, измерение считается законченным и по команде блока уп­равления 11 электромагнитный клапан 6 открывает подачу воды в из­мерительный сосуд 2, а электромагнитный клапан 8 открывает дренаж­ный штуцер 7.

Часть воды, проходящей через дренажный штуцер 7 вы­носит задержавшиеся в измерительном сосуде 2 крупные частицы взве­си. Таким образом обеспечивается промывка измерительного сосуда.

10.4. Контроль цветности воды

Цветность является важным физико-химическим показателем качества питьевой воды, от которой зависят ее органолептические свойства. Цветность природных вод обусловлена в основном присутствием окрашенных органических веществ, главным образом соединений гуминовых и фульвовых кислот, а также соединений трехвалентного железа и некоторых других металлов в виде естественных примесей или продуктов коррозии. Сточные воды некоторых предприятий также могут создавать довольно интенсивную окраску воды. Количество влияющих на цветность веществ зависит от геологических условий, водоносных горизонтов, характера почв и других факторов.

Высокая цветность является тревожным признаком, свидетельствующим о неблагополучии воды. Наличие органики не только ухудшает органолептические свойства воды, приводит к возникновению посторонних запахов, но и вызывает резкое снижение концентрации растворенного в воде кислорода, что может быть критично для ряда процессов водоочистки.

Некоторые в принципе безвредные органические соединения, вступая в химические реакции (например, с хлором), способны образовывать очень вредные и опасные для здоровья человека соединения. Поэтому очень важно выяснить причину цветности, так как методы удаления, например, железа и органических соединений отличаются.

Предельно допустимым значением цветности питьевой воды, установленным СанПиНом, является 20 градусов по хром-кобальтовой или платино-кобальтовой шкале. Измерение цветности вод источников водоснабжения необходимо для правильного выбора режима водоочистки.

Цветность в России определяется двумя методами – визуальным и фотометрическим, описанными действующим в настоящее время государственным стандартом [38], распространяющимся только на питьевую воду и давно нуждающимся в переработке. И каждый из этих методов имеет свои недостатки.

Метод визуального определения цветности основан на сравнении исследуемого образца с готовой шкалой. Цветность анализируемой пробы устанавливают по раствору шкалы цветности наиболее близкому по интенсивности окраски.

К недостаткам визуального метода относятся невысокая точность определения цветности, особенно для слабоокрашенных вод, а также возможность субъективных ошибок, связанных с индивидуальными особенностями зрения наблюдателей и условиями освещения.

Метод фотометрического определения цветности основан на измерении оптической плотности или коэффициента пропускания анализируемой пробы при фиксированной длине волны с последующим определением значения цветности по градуировочной характеристике, установленной для водных растворов шкалы цветности.

Фотометрический метод имеет ряд явных преимуществ по сравнению с визуальным, таких как экспрессность и независимость от субъективных факторов, что делает его незаменимым при проведении массовых определений цветности воды. Кроме того, чувствительность фотометрического метода выше, что особенно важно при определении цветности слабоокрашенных вод.

Однако, действующий ГОСТ предлагает на выбор 2 различные шкалы для определения цветности. Первая - это платино-кобальтовая шкала, для которой измерения производятся при длине волны светофильтра 410 нм, а вторая - это хром-кобальтовая шкала цветности, где измерения производятся при длине волны 380 нм.

Главным недостатком фотометрического метода является то, что при определении цветности при помощи этих 2-х шкал получаются разные результаты. А такого быть не должно.

Как показал опыт работы многих аналитических лабораторий, результаты определения цветности воды, полученные фотометрическим методом на длине волны 410 нм, значительно завышены (примерно в 1,5 раза) по сравнению с визуальными оценками цветности тех же водных проб. Таким образом, вопрос выбора оптимальной длины волны для определения цветности воды фотометрическим методом является весьма актуальным.

Окраска воды, соответствую­щая окраске стандартного раствора, который содержит 0,1 мг платины в 1 мг оценивается одним градусом цветности. Цветность поверхност­ных вод обычно колеблется в пределах от 35 до 70 градусов, иногда достигая 200 градусов.

Инструментальные методы измерения цветности встречаются край­не редко. В Германии фирма Monitek Gmbh для этих целей выпускает двухлучевой адсорбционный фотометр модели 450FL/CT5 , который спо­собен производить непрерывный контроль цветности [39]. В этом при­боре измеряется максимальное поглощение света водной средой и сравнивается с минимальным. Преобразователь прибора работает на базе микропроцессора, при этом используется цифровая индикация.

Предложен также новый дистанционный способ контроля цвета во­ды на базе лазерных методов [40]. Введено новое понятие: "индекс цвета воды". Его можно измерять как с борта судна, так и с летательных аппаратов, позволяя тем самым обследовать обширные аквато­рии.

10.5. Седиментационный анализ взвеси

Основной задачей седиментационного анализа взвеси является определение количества твердых частиц и получение данных об их распределении в воде по размерам и фракциям. Все методы седиментационного анализа подразделяются на прямые и косвенные. К прямым методаv относятся: непосредственное измерение размеров и определе­ние количества или веса частиц взвеси (например, под микроскопом). К кос­венным методам относится определение размеров частиц по какому-либо приз­наку (например, по скорости осаждения, отражению света частицами, адсорбционной способности и другие.).

Практически все методы седиментационного анализа базируются на законах Стокса. Уравнение Стокса имеет вид:

,

где F - сопротивление движению твердой шарообразной частицы в жидкой среде;

b - коэффициент пропорциональности;

- вязкость жидкости;

г - радиус частицы;

U- скорость движения частицы.

Одним из наиболее распространенных методов седиментационного анализа является метод непрерывного взвешивания на микровесах Фигуровского [41]. Во многих случаях в лабораторных условиях этот метод осуществляют с использованием торзионных весов [42]. Основ­ными недостатками этих методов является их продолжительность и низкая точность.

В последние годы разработаны два новых экспресс-метода седиментационного анализа, позволяющие получать относительно точные результаты за короткие промежутки времени. Первый из них, называ­емый электро - весовым [43] заключается в проведении анализа с по­мощью торзионных весов при наложении на исследуемую среду постоян­ного электрического поля (рис.30).

Рис. 30 . Схема устройства для злектровесового седиментацион-ного экспресс-анализа

Устройство содержит измерительный цилиндр 1, чашечку 2весов, торэионные весы 3, электроды 4 и 5, которые подключены к источнику постоянного тока. Глубина погружения чашечки равна h, а расстояние между электродами равно s.

Кроме того в состав аппаратуры для про­ведения седименташюнного анализа должно входить устройство для измерения электрофоретической подвижности частиц взвеси, например, дзе­та-метр [45].

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют электрофоретическую подвижность W частиц взвеси исс­ледуемой дисперсной системы при градиенте потенциала Н, соответс­твующем оптимальным условиям электрофореза (Н = 0,8 - 1,2 В/см)

Вычисляют электрофоретическую скорость движения частиц, соответс­твующую принятому градиенту потенциала: U_э = W/Н. Затем цилиндр 1 заполняют исследуемой дисперсной системой. В цилиндре на произвольной глубине h устанавливают чашечку 2 весов, а между электро­нами 4 и 5 создают однородное электрическое поле в направлении оседания частиц (в зависимости от знака электрофоретической под­вижности частиц).

Градиент потенциала Н однородного электрического поля принимают равным градиенту потенциала, при котором измеряется электрофоретическая подвижность частиц взвеси.

С момента установления чашечки весов и однородного электри­ческого потенциала начинают отсчет времени. Через определенные промежутки времени t₁, t₂, t₃ …,t_n от начала опыта регистрируют массу взвеси, осевшей на чашечку весов: соответственно Р₁,P_2, P_3,……P_n.. Анализ продолжают до тех пор, пока вся масса нахо­дящихся в исследуемой среде частиц не осядет на чашечку весов (когда показания весов с течением времени не достигнут постоянного значения Р_макс. Для водных сред это происходит через 3 -15 минут после начала опыта. После этого вычисляют размеры d_1, d₂, d₃,……d_n. частиц, соответствующие установленным промежуткам времени по фор­муле Стокса, в которую введена поправка на электрофоретическую скорость движения частиц:

На основании полученных данных строят седиментационную кривую, например, кривую зависимости Р₁/Рмакс = f (d₁₎.

Этот метод является наиболее точным, так как при нем обеспечи­вается регистрация весами за короткий промежуток времени всей взвеси, содержащейся в пробе воды.

Второй метод, называемый оптическим [44], заключается в просвечивании пробы воды источником света и в фиксации фотоприемниками силы света, прошедшего через слой воды и отраженного частицами взвеси. Схема устройства, осуществляющего этот метод, представлена на рисунке 31.

Рис.31.Схема устройства для оптического седиментационного

контроля

Устройство содержит измерительную кювету 1, источник 2 света, фотоприемник 3, измеряющий световой поток, прошедший анализируемую среду, фотоприемники 4-6, измеряющие рассеянный частицами свет в разных слоях исследуемой среды, и измерительный блок 7, восприни­мающий электрические сигналы от фотоприемников 3 - 6 и преобразую­щий эти сигналы в соответствующие величины концентрации твердых частиц.

Измерительная кювета 1 заполняется исследуемой жидкой средой. Когда прекращается наполнение кюветы, включаются счетчик времени и источник света 2.

Через промежуток времени одновременно включаются фотоприемни­ки 3-6. Эти фотоприемники вырабатывают на выходе электрический ток, сила которого измеряется измерительным блоком 7.

Сила тока, вырабатываемая фотоприемником 3 (1з), пропорцио­нальна концентрации твердых взвешенных частиц в жидкой среде ( ). Величина этой концентрации определяется на основании предваритель­ной тарировки (определение зависимости = f (1з).

Сила тока, вырабатываемая фотоприемником 4 (I₄) пропорцио­нальна концентрации взвешенных частиц, находящихся в I слое. Ана­логично для фотоприемников 5 и 6 – I₅, I₆. Величины этих концентраций ₁, ₂, ₃также определяются на основании предварительной тари­ровки при получении зависимостей соответственно:

₁= f (1 ₄); ₂= f (1 ₅); ₃= f (1 ₆).

После снятия показаний на приборах измерительного блока 7 фотоприемники 3 - 6 и источник света 2 отключаются.

Затем производится обработка, результатов.

Разность концентраций во II и I слоях равна: К₁= ₂ - ₁,мг/л. Разность концентраций в III и I слоях равна К₂= ₃- ₁, мг/л.

Гидравлическая крупность частиц, соответствующая величине К1, равна

,

где I₁ и I₂ -расстояние от поверхности жидкости до I и II слоя соответственно.

Гидравлическая крупность частиц, соответствующая К₂, равна:

,

где 1з - расстояние от поверхности жидкости до III слоя.

Кривая седиментации представляет собой кривую зависимости К/ = f (U)

где - концентрация взвешенных частиц в жидкой среде, находящейся в измерительной кювете, мг/л;

U - гидравлическая круп­ность частиц, мм/с, соответствующих концентрациям К.

Оптический метод является наиболее быстрым (от 1 до 3-х ми­нут), но менее точным, чем электровесовой метод.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 414; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!