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

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru

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++) 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

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru

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): дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru .

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:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru .

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          
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

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (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:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru L дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru

звідки дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (3)

і дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru L дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru

звідки дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (4)

З рівняння (2): дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru

Підставимо значення [H+] і [CO32-] в рівняння (4), тоді одержимо:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (5)

Після введення коефіцієнтів активності йонів і враховуючи, що в природних водах з малою мінералізацією [H2CO3] G [CO2] і дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru =1, стійкість карбонатно-кальцієвої системи оцінюється такими рівняннями:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (6)

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (7)

де дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru і дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru коефіцієнти активності відповідно гідрогенкарбонат-йонів і йонів Кальцію; [HCO3-], [Ca2+] і [CO2] – рівноважні молярні концентрації відповідних йонів і вільного карбон(IV) диоксиду у воді; дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru і дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru , відповідно перша і друга константи дисоціації карбонатної кислоти, дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru - 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 дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ruЕ – 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 дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru , то карбонатно-кальцієва система знаходиться в рівновазі;

- якщо дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru , 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):

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (8)

Якщо μ<0,02, то коефіцієнт активності йона в розбавленому розчині можна обчислювати за формулою

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (9)

Якщо йонна сила розчину 0,02 < μ < 0,1, то коефіцієнт активності розраховують за формулою Дебая-Хюккеля:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (10)

де А, В – констати розчинника; z – заряд йона; μ – йонна сила розчину; дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru - 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 дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru
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: дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru ; дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru ; дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru .

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. дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru

РОЗРАХУНКОВА РОБОТА №3.

ОЦІНКА СТАНУ СУЛЬФАТНО-

КАЛЬЦІЄВОЇ СИСТЕМИ

Теоретичний вступ

Рівновага між твердою фазою CaSO4 і її водним розчином визначається добутком розчинності кальцій сульфату дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru . В рівноважній системі СaSO4 L Ca2+ + SO42- при заданих температурі, тиску і йонно-сольовому складі води величина дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru є сталою:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (1)

де дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru і дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru - коефіцієнти активності йонів; [Ca2+]р і [SO42-]р – рівноважні молярні концентрації відповідних йонів.

Коефіцієнти дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru і дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru визначаються експериментально в залежності від йонно-сольового складу розчину (див.розрахункову роботу2).

Якщо при підстановці в рівняння (1) фактично знайдених концентрацій Ca2+ і SO42- дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru , то вода перенасичена йонами і рівновага зміщена вліво; якщо дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru , 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:

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (2)

дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті - student2.ru (3)

де [Ca2+], [SO42-] - молярні концентрації йонів у розчині; [Ca2+]р - [SO42-]р – рівноважні молярні концентрації йонів у даному розчині.

Добуток [Ca2+. [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              

Наши рекомендации