Дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті
Теоретичний вступ
Природні води характеризуються:
1. Мінералізацією – сумою всіх знайдених при аналізі мінеральних речовин в мг/л або г/кг (при сумі більше одного г/кг), які містяться у даній воді або сумою йонів (∑і), тобто сумою всіх видів йонів в мг/л або г/кг, концентрація яких більша за 0,1 мг/л.
За ступенем мінералізації природні води класифікують (за О.Альокіним) так:
1) дуже прісні (<0,2 г/л);
2) прісні ( 0,2-1,0 г/л);
3) солонуваті (1,0-3,0 г/л);
4) солоні (3,0-35,0 г/л);
5) перехідні до розсолів (35,0-100,0 г/л);
6) розсоли (>100,0 г/л).
2. Лужністю, яка визначається як сума еквівалентних концентрацій аніонів слабких кислот (переважно НСО3- і СО32-), ммоль-екв/л.
3. Твердістю, яка дорівнює сумі еквівалентних концентрацій катіонів Са2+ і Mg2+ у воді, ммоль-екв/л.
4. Окиснюваністю, тобто наявністю речовин, що окиснюються; визначається за кількістю кисню (мг/л), витраченого на їх окиснення в стандартних умовах; розрізняють перманганатну та дихроматну окиснюваність в залежності від окисника (KMnO4 або K2Cr2O7).
При вираженні концентрації йонів в еквівалентній формі, число еквівалентів катіонів в розчині повинно дорівнювати числу еквівалентів аніонів. При добре виконаному аналізі похибка знаходиться в межах 1%. Якщо похибка більша за 5%, а при значній мінералізації – більша за 3%, то аналіз слід вважати недостатньо точним.
Похибка визначається за формулою
де ∑а – сума аніонів, ∑k – сума катіонів (ммоль-екв/л).
Часто замість визначення йонів Na+ і К+ їх розраховують за різницю сум ммоль-еквіавлентів визначених аніонів і катіонів:
Na+ + K+ = HCO3- + SO42- + Cl- - (Ca2+ + Mg2+).
Для переведення ммоль-екв/л йонів (Na++К+) в мг/л застосовують емпіричний коефіцієнт для прісних вод -25, а для мінералізованих – 24.
При вивченні природних вод дуже важливо знати співвідношення між йонами. Для цього використовують відносний вміст йонів, який виражений у відсотках кількості речовини еквівалента йона від загальної суми кількості речовини еквівалентів усіх йонів у даній воді.
Кількість речовини еквівалентів катіонів і аніонів приймається за 100%. Отже, відносний еквівалентний вміст будь-якого з йонів визначається за формулою
де а – вміст аніона, k – вміст катіона (ммоль-екв/л).
Класифікація природних вод за хімічним складом запропонована О.Альокіним. Відповідно до неї природні води поділяють на три класи за переважаючим аніоном: 1) карбонатний або гідрогенкарбонатний (С); 2) сульфатний (S), хлоридний (С1).
За переважаючим катіоном класи діляться на такі групи:
а) кальцієву (Са);
б) магнієву (Mg);
в) натрієву (Na);
г) натрієво-калієву (Na+K).
За співвідношенням катіонів та аніонів (ммоль-екв/л) води діляться на такі типи:
І тип: характеризується співвідношенням HCO3- > Ca2+ + Mg2+. До цього типу належать м’які води з переважанням йонів Na+ та К+.
ІІ тип: HCO3- < Ca2+ + Mg2+< HCO3- + SO42-. До цього типу належать води більшості річок, озер, підземні води з малим і середнім солевмістом.
ІІІ тип: HCO3- + SO42- < Ca2+ + Mg2+, або С1->Na+. Це води морів, океанів, сильно мінералізовані підземні води.
IV тип: НСО3- = 0. До цього типу належать кислі води – шахтні, болотні.
Склад води можна охарактеризувати відповідною формулою. Наприклад, гідрогенкарбонатний клас, група Са, тип ІІ, твердість 5 ммоль-екв/л (з точністю до одиниц), сума йонів 0,4 г/л (з точністю до 0,1 г/л): .
Склад досліджуваної води можна також виразити формулою Курлова. Формула Курлова – це псевдодріб, у чисельнику якого зліва направо записуються аніони (у відсотках nЕ в 1л води) в порядку зменшення. У знаменнику таким же способом записуються катіони. Зліва від дробу дається загальна мінералізація в г/л. Наприклад, склад води Басівкутського озера в період літньо-осінньої межені можна виразити так:
.
Розрахункова частина
І. За середньою багаторічною концентрацією головних йонів заданої водойми визначити:
1.1 ∑і;
1.2 % похибки аналізу йонного складу;
1.3 тип води за мінералізацією (сумою йонів);
1.4 клас, групу та тип води за співвідношенням еквівалентних концентрацій йонів (ммоль-екв/л);
1.5 лужність;
1.6 загальну твердість;
1.7 відносний еквівалентний вміст йона (% nE) ;
1.8 скласти формулу води з врахуванням класу, групи, типу, твердості і суми йонів.
(Сума йонів записується знизу з точністю до 0,1 г/кг (0,1 г/л), а загальна твердість – зверху з точністю до цілих одиниць (ммоль-екв/л).
1.9 Скласти формулу Курлова.
Дані завдання і розрахунки представити в табличній формі:
Ріка | К а т і о н и | ||||||
Ca2+ | Mg2+ | Na++K+ | HCO3- | SO42- | Cl- | ∑i | |
ρ, мг/л | |||||||
М, г/моль | |||||||
f | |||||||
ME, г/моль-екв | |||||||
nE, ммоль-екв | |||||||
% nE |
ІІ. Визначити придатність води для рибогосподарської діяльності.
Водогосподарська якість води – це перелік нормативних характеристик або їх комплексу, які відповідають природному складу домішок та фізико-хімічним властивостям водного об’єкту і характеризують його придатність для конкретних видів водокористування.
Для оцінки водогосподарської якості води необхідно ознайомитись з нормативними документами класифікацій якості води з метою визначення придатності водного об'єкту для певного виду водокористування. При визначенні придатності води для рибогосподарських потреб необхідно користуватись для порівняння показників якості з вимогами і нормами стандартів (див.додаток, табл.2, 3, 4).
Кожний студент одержує для дослідження певний водний об’єкт (річку). На основі порівняння визначених в першій частині роботи гідрохімічних параметрів з вимогами і нормами стандартів, оцінює якість води щодо придатності її для рибогосподарських потреб.
Дані завдання і розрахунки необхідно представити в табличній формі за наведеним зразком і зробити відповідний висновок.
Порівняння дослідних даних для заданого водного
об’єкту з величинами стандартів якості води,
що надходить в стави коропових господарств
№ з.п. | Досліджувані гідрохімічні параметри | Дослідні данні | Вимоги стандарту (ДЕСТ 15-282-83) до якості води для коропових господарств | Вимоги стандарту (ДЕСТ 15-377-87) до якості води для коропових господарств | Гранично-припустимі показники якості води для рибогосподарських водойм | Коефіцієнт порівняння |
Лужність, ммоль-екв/л | ||||||
Твердість загальна, ммоль-екв/л | ||||||
Амоній сольовий NH4+, мг/л | ||||||
Нітрити, мг/л | ||||||
Нітрати, мг/л | ||||||
Фосфати, мг РМІН/л | ||||||
Ферум загальний, мг Fe/л | ||||||
Хлориди, мг/л | ||||||
Сульфати, мг/л | ||||||
Мінералізація, мг/л |
Висновок:
Вихідні дані для розрахункової роботи
Таблиця 8
Середні багаторічні концентрації основних йонів води річок України в період літньо-осінньої межені, мг/л
Ріка- пункт | К а т і о н и | ||||||
Ca2+ | Mg2+ | Na++K+ | HCO3- | SO42- | Cl- | ∑i | |
Уж – м.Ужгород | 32,2 | 8,9 | 7,7 | 113,7 | 29,4 | 17,2 | |
Зах.Буг – м.Сокаль | 95,9 | 18,5 | 31,1 | 291,2 | 68,7 | 53,2 | |
Прут – м.Чернівці | 54,3 | 10,6 | 18,7 | 201,2 | 36,8 | 28,3 | |
Стрий – с.Н.Кропивник | 38,4 | 11,0 | 9,7 | 145,7 | 31,6 | 10,7 | |
Свіча – с.Зарічне | 26,0 | 7,8 | 15,5 | 79,2 | 30,3 | 24,7 | |
Ломниця – с.Перевозець | 24,4 | 6,9 | 8,8 | 89,5 | 40,2 | 15,5 | |
Півд.Буг – с.Олександрівка | 59,5 | 23,3 | 30,0 | 270,6 | 41,9 | 36,0 | |
Тур’я – м.Ковель | 84,0 | 12,1 | 12,2 | 283,2 | 34,9 | 20,9 | |
Стохід – с.Малинівка | 78,9 | 16,7 | 11,1 | 266,7 | 36,6 | 24,8 | |
Стир – м.Луцьк | 71,2 | 14,7 | 13,5 | 252,8 | 29,9 | 20,9 | |
Горинь – с.Оженін | 79,4 | 22,2 | 17,0 | 275,3 | 53,2 | 22,0 | |
Случ – м.Сарни | 52,4 | 11,4 | 12,1 | 182,5 | 25,7 | 19,2 | |
Десна – м.Чернігів | 61,6 | 12,0 | 16,1 | 224,2 | 24,4 | 18,5 | |
Сула – м.Лубни | 72,0 | 31,8 | 37,2 | 380,0 | 44,6 | 28,6 | |
Дніпро – м.Київ | 47,5 | 15,4 | 13,5 | 169,5 | 23,4 | 16,3 |
Продовження табл.8
Тетерів – м.Житомир | 61,6 | 18,0 | 29,3 | 214,6 | 41,9 | 49,5 | |
Інгул – с.Новогорожено | 100,3 | 37,3 | 124,1 | 312,9 | 224,1 | 135,7 | |
Дністер – м.Галич | 41,5 | 16,2 | 29,7 | 110,4 | 76,4 | 64,3 | |
Ворскла – с.Чернеччина | 70,2 | 23,6 | 51,3 | 363,9 | 71,9 | 25,6 | |
Сів.Донець – с.Огурцово | 112,1 | 26,4 | 46,8 | 377,9 | 99,5 | 40,3 | |
Рось – м.Корсунь-Шевченків-ський | 64,5 | 21,3 | 28,5 | 299,0 | 25,8 | 27,2 | |
Ірпінь – с. Мостище | 78,3 | 16,6 | 20,5 | 248,2 | 34,5 | 27,9 | |
Десна – с.Розльоти | 58,7 | 10,3 | 8,5 | 169,7 | 15,5 | 14,9 | |
Псел – с.Запселля | 92,8 | 22,9 | 36,7 | 345,4 | 83,7 | 35,2 | |
Дністер – м.Могилів-Подільський | 58,7 | 15,2 | 23,6 | 172,1 | 42,7 | 43,1 |
Таблиця 9
Середні багаторічні концентрації FeЗАГ, NO3- , NO2-, NH4+, PMIN (мг/л) у водах річок України в період літньо-осінньої межені
Річка | FeЗАГ | NO3- | NO2- | NH4+, | PMIN |
Уж – м.Ужгород | 0,22 | 0,085 | 0,012 | 1,070 | 0,057 |
Зах.Буг – м.Сокаль | 0,19 | 0,021 | 0,01 | 1,020 | 0,072 |
Прут – м.Чернівці | 0,14 | 0,071 | 0,017 | 0,230 | 0,042 |
Продовження табл.9
Стрий – с.Н.Кропивник | 0,18 | 0,016 | 0,006 | 0,59 | 0,052 |
Свіча – с.Зарічне | 0,21 | 0,025 | 0,016 | 0,860 | 0,048 |
то хід – с.Перевозець | 0,29 | 0,028 | 0,017 | 0,910 | 0,067 |
то.Буг – с.Олександрівка | 0,25 | 0,090 | 0,030 | 1,870 | 0,075 |
Тур’я – м.Ковель | 0,18 | 0,014 | 0,002 | 0,730 | 0,035 |
то хід – с.Малинівка | 0,14 | 0,018 | 0,007 | 0,940 | 0,080 |
Стир – м.Луцьк | 0,04 | 0,021 | 0,005 | 1,950 | 0,054 |
Горинь – с.Оженін | 0,13 | 0,014 | 0,005 | 0,780 | 0,040 |
Случ – м.Сарни | 0,19 | 0,038 | 0,008 | 1,050 | 0,097 |
Десна – м.Чернігів | 0,15 | 0,014 | 0,003 | 0,240 | 0,076 |
Сула – м.Лубни | 0,18 | 0,053 | 0,004 | 0,280 | 0,057 |
Дніпро – м.Київ | 0,11 | 0,025 | 0,003 | 1,200 | 0,049 |
Тетерів – м.Житомир | 0,11 | 0,046 | 0,004 | 1,360 | 0,111 |
Інгул – с.Новогорожено | 0,19 | 0,053 | 0,007 | - | 0,117 |
Дністер – м.Галич | 0,22 | 0,028 | 0,026 | 0,890 | 0,050 |
Ворскла – с.Чернеччина | 0,12 | 0,150 | 0,009 | 0,290 | 0,081 |
Сів.Донець – с.Огурцово | 0,16 | 0,30 | 0,051 | 0,150 | 0,132 |
Продовження табл.9
Рось – м.Корсунь-Шевченків-ський | 0,27 | 0,018 | 0,003 | 0,740 | 0,050 |
Ірпінь – с. Мостище | 0,18 | 0,039 | 0,002 | 0,560 | 0,063 |
Десна – с.Розльоти | 0,26 | 0,030 | 0,004 | - | 0,060 |
Псел – с.Запселля | 0,14 | 0,120 | 0,014 | 0,220 | 0,066 |
Дністер – м.Могилів-Подільський | 0,26 | 0,023 | 0,007 | 0,340 | 0,027 |
РОЗРАХУНКОВА РОБОТА №2.
ОЦІНКА СТІЙКОСТІ КАРБОНАТНО-
КАЛЬЦІЄВОЇ СИСТЕМИ
Теоретичний вступ
Якщо в природній воді знаходяться вільна карбонатна кислота, йони Са2+ і НСО3-, а в твердій фазі – СаСО3, то між ними існує рівновага
СаСО3 + Н2О + СО2 L Са(НСО3)2 (1)
Переважання прямої реакції свідчить про розчинення вапняків під дією СО2, зворотної – про накопичення карбонатних порід за рахунок розкладання кальцій гідрогенкарбонату. Розчинення твердої фази СаСО3 у воді відбувається в межах її розчинності
(2)
За наявності у воді надлишку СО2 слаборозчинний СаСО3 переходить в більш розчинний кальцій гідрогенкарбонат за рівнянням (1) доки не настане рівновага. Кількісна залежність у рівновазі визначається розчинністю твердої фази СаСО3 (2) і дисоціацією каобнатної кислоти за першим і другим ступенем:
L
звідки (3)
і L
звідки (4)
З рівняння (2):
Підставимо значення [H+] і [CO32-] в рівняння (4), тоді одержимо:
(5)
Після введення коефіцієнтів активності йонів і враховуючи, що в природних водах з малою мінералізацією [H2CO3] G [CO2] і =1, стійкість карбонатно-кальцієвої системи оцінюється такими рівняннями:
(6)
(7)
де і
коефіцієнти активності відповідно гідрогенкарбонат-йонів і йонів Кальцію; [HCO3-], [Ca2+] і [CO2] – рівноважні молярні концентрації відповідних йонів і вільного карбон(IV) диоксиду у воді;
і
, відповідно перша і друга константи дисоціації карбонатної кислоти,
- добуток розчинності СаСО3. Рівняння (6) і (7) дозволяють зробити такі висновки:
- якщо при підстановці в рівняння аналітичних концентрацій йонів Кальцію, гідрогенкарбонат-йонів і вільної карбонатної кислоти (КЕ – експериментальний коефіцієнт, знайдений при підстановці аналітичних даних, КТ – теоретичний коефіцієнт, який є відомою величиною для даної рівноважної системи), то розчин містить надлишок Са(НСО3)2;
- якщо , то карбонатно-кальцієва система знаходиться в рівновазі;
- якщо , то вода містить надлишок СО2.
Наближено можна вважати, що в розбавлених розчинах коефіцієнт активності йона залежить від заряду йона і йонної сили розчину μ, яка дорівнює півсумі добутку молярної концентрації (СМ) кожного йона на квадрат його заряду (z):
(8)
Якщо μ<0,02, то коефіцієнт активності йона в розбавленому розчині можна обчислювати за формулою
(9)
Якщо йонна сила розчину 0,02 < μ < 0,1, то коефіцієнт активності розраховують за формулою Дебая-Хюккеля:
(10)
де А, В – констати розчинника; z – заряд йона; μ – йонна сила розчину; - величина, яка залежить від ефективного діаметра йона (додаток, табл.5, 6, 7).
Розрахункова частина
Оцінити стан карбонатно-кальцієвої системи заданої річки за середньою багаторічною концентрацією головних йонів. Результати обчислень представити в табличній формі за зразком:
Річка | Са2+ | Mg2+ | Na+ + K | НCО3- | SO42- | Cl- | CO2 | ![]() |
ρ, мг/л | ||||||||
M, г/моль | ||||||||
СМ, моль/л |
Порядок виконання роботи:
1. Знайти йонну силу розчину за рівнянням (8).
2. Розрахувати коефіцієнти активності йонів Са2+ і гідроген- карбонат-йонів за формулою (9 або 10).
3. Знайти за таблицею (додаток, табл.7) константи карбонатно-кальцієвої рівноваги: ;
;
.
4. Розрахувати величину КT за рівнянням (6), використовуючи аналітичні дані.
5. Знайти теоретичну величину КТ з рівняння (7).
6. Оцінити стан карбонатно-кальцієвої системи з відношення КЕ до КТ.
РОЗРАХУНКОВА РОБОТА №3.
ОЦІНКА СТАНУ СУЛЬФАТНО-
КАЛЬЦІЄВОЇ СИСТЕМИ
Теоретичний вступ
Рівновага між твердою фазою CaSO4 і її водним розчином визначається добутком розчинності кальцій сульфату . В рівноважній системі СaSO4 L Ca2+ + SO42- при заданих температурі, тиску і йонно-сольовому складі води величина
є сталою:
(1)
де і
- коефіцієнти активності йонів; [Ca2+]р і [SO42-]р – рівноважні молярні концентрації відповідних йонів.
Коефіцієнти і
визначаються експериментально в залежності від йонно-сольового складу розчину (див.розрахункову роботу2).
Якщо при підстановці в рівняння (1) фактично знайдених концентрацій Ca2+ і SO42- , то вода перенасичена йонами і рівновага зміщена вліво; якщо
, то рівновага системи зміщена вправо, і вода є агресивною по відношенню до гіпсу. При рівності експериментального і теоретичного коефіцієнтів система CaSO4 – Н2О знаходиться в рівноважному стані.
Нестачу або надлишок кальцій сульфату в природних водах в молярній формі можна визначити за рівняннями:
(2)
(3)
де [Ca2+], [SO42-] - молярні концентрації йонів у розчині; [Ca2+]р - [SO42-]р – рівноважні молярні концентрації йонів у даному розчині.
Добуток [Ca2+]р . [SO42-]р знаходиться з рівняння (1). Кількість йонів Кальцію і сульфат-йонів, яка залишилась у розчині після осадження надлишку СaSO4, визначається за формулами:
[Ca2+]p = [Ca2+] – [CaSO4]НАДЛ.; (4)
[SO42-] = [SO42-] –[CaSO4]НАДЛ.. (5)
Дані завдання і розрахунки внести у таблицю за зразком:
Річка t0C= | Са2+ | Mg2+ | Na+ + K+ | HCO3- | SO42- | Cl- | Σi |
ρ, мг/л | |||||||
М, г/моль | |||||||
СМ, моль/л |