Основные показатели качества технической воды

Для количественной оценки качества технической воды, циркулирующей в контурах СЭУ, применяют множество нормированных показателей, из которых наиболее часто используют: содержание взвешенных веществ (мг/л); общее солесодержание (мг/л); общую жёсткость (мг-экв/л), карбонатную и некарбонатную жёсткость (мг-экв/л); общую щелочность (мг-экв/л) и относительную (%), щелочное число (мг/л) и водородный показатель рН.

Для оценки качества воды кроме перечисленных могут быть использованы также сухой остаток (в мкг/кг), удельная (в Ом^-1 см^-1) и эквивалентная электропроводность (в см² Ом^-1 мг-экв^-1).

Все вещества, содержащиеся в воде, можно разделить на вещества растворённые и взвешенные. Взвешенные вещества (ВВ), укрупняясь в объеме котловой воды, образуют частицы большего размера (шлам), которые подразделяются на оседающие, неоседающие и всплывающие. При увеличении концентрации ВВ применяют метод замещения части котловой воды, содержащей шлам, аналогичным объемом более чистой питательной воды. Этот технологический прием (верхнее или нижнее продувание) называют продувкой парового котла.

При химическом анализе пробы воды растворённые вещества отделяют от взвешенных фильтрованием или центрифугированием. Определение концентрации растворённых веществ и общего содержания примесей состоит в выпаривании воды, высушивании остатка и взвешивании, а определение нерастворимых веществ – только в высушивании остатка после фильтрования и взвешивании.

Такой ход определения не гарантирует теоретически правильной классификации растворённых и взвешенных веществ. Он разделяет их на отделяющиеся фильтрованием и проходящие сквозь фильтр, что, однако, удовлетворяет практическим целям.

Газы, летучие вещества и вещества, которые при выпаривании или высушивании разлагаются с образованием летучих компонентов, не учитываются при вышеуказанном ходе анализа.

По разности массы сухого остатка растворённых и взвешенных веществ и массы его после прокаливания вычисляют потери при прокаливании. Потери при прокаливании показывают массу органических и неорганических веществ, улетучивающихся или разлагающихся при температуре прокаливания с образованием летучих продуктов. На результатах этих определений отражаются изменения в массе, которые могут произойти вследствие протекающих при прокаливании реакций. Это окисление минеральных веществ, потери их кристаллизационной воды (гигроскопической влаги), потери газов при термическом разложении.

В зависимости от способа определения, принимая во внимание, сказанное выше, под обозначениями «общее содержание примесей», «растворённые» и «взвешенные» вещества подразумевают следующее

• «Общее содержание примесей» – это сумма всех растворённых и взвешенных веществ, которые определяются выпариванием пробы воды, высушиванием полученного остатка при 105 ^оС до постоянной массы и взвешиванием. Этот показатель на практике иногда называют «общим солесодержанием», или «сухим остатком» воды» (S).

• «Растворённые вещества» – это вещества, которые определяются выпариванием профильтрованной пробы воды, высушиванием остатка при 105^оС до постоянной массы и взвешиванием.

• «Взвешенные вещества» (ВВ) – это вещества, которые остаются на фильтре при использовании того или иного способа фильтрования. Их определяют либо непосредственно после фильтрования пробы высушиванием осадка при 105 ^оС до постоянной массы и взвешиванием, либо косвенно по разности между общим содержанием примесей и количеством растворённых веществ.

• «Остаток после прокаливания» – это вещества, которые остаются после прокаливания высушенных остатков при 600 ^оС до постоянной массы.

• «Потеря при прокаливании» представляет собой разность в массе между высушенным и прокаленным остатком.

Содержание взвешенных веществ (СВВ) выражают в мг/л или в объемных процентах. Этот показатель характеризует загрязненность воды мелкодисперсными твердыми нерастворимыми примесями. Количество взвешенных веществ определяют путем фильтрования исследуемой пробы воды с последующим высушиванием остатка на фильтре при температуре 105 ⁰С до постоянной массы и взвешиванием. Результат вычисляют по формуле

С_ВВ = 1000(G_ф2 – G_ф1)/V ρ_в

где G_ф1 и G_ф2 – масса фильтра соответственно до и после фильтрования, мг; V – объём пробы воды, пропущенный через фильтр, мл; ρ = 1 г/см³ – плотность воды.

Для определения содержания взвешенных веществ в мг/л требуются микроаналитические весы, однако использовать их на судне из-за качки последнего не представляется возможным. Поэтому в судовых условиях оседающие и всплывающие в пробе воды (известного объема) взвешенные вещества чаще всего определяют путём измерения объёма осадка, выпавшего или всплывшего в течение определённого времени. Так, для определения СВВ в котловой воде методом отстоя используют специальный стеклянный сосуд (ёмкостью 250 мл), нижняя (узкая) полость которого проградуирована в объёмных процентах.

Концентрация водородных ионов (показатель рН) – характеризует кислотность или щелочность котловой воды. При рН=7 вода имеет нейтральные свойства, при рН>7 – щелочную среду и при рН<7 кислую (минимальная коррозия наблюдается при рН=9,6). Необходимое значение рН в воде достигается введением щелочи натрия, тринатрийфосфата.

Величину рН определяют колориметрическим или электрометрическим методами. Электрометрический метод основан на измерении (при помощи прибора, рН-метра) потенциала, возникающего на измерительном электроде, опущенном в пробу воды вместе с электродом сравнения. Результат определения зависит от температуры пробы воды. Обычно влияние температуры компенсируется специальным устройством, вмонтированным в прибор. Этот метод является наиболее точным. Ему не мешают окраска, мутность, взвесь, свободный хлор, присутствие окисляющихся или восстанавливающихся веществ, а также повышенное содержание солей в пробе воды. Однако на морских судах чаще всего используют колориметрический метод определения рН. Он менее точен, но проще в исполнении, особенно при качке судна. Так, определение рН производят по цвету кислотно-основного индикатора, добавляемого в воду в виде раствора или зафиксированного на индикаторной бумажке. Возникшую окраску индикатора сравнивают с окраской стандарта, пользуясь специальной колориметрической шкалой.

Наличие в воде различных ионов обусловливает электропроводность водных растворов и их электрическое сопротивление. Величина, обратная электрическому сопротивлению, – электропроводность.

Показатель электропроводности воды используется для оценки качественного состава растворенных солей.

Различают:

• электропроводность удельную ( χ ), которая выражается обратным микроомом (микросименсом) на 1 см (Ом^-1 .см^-1.10^-6 или Сим . см^-1.10^-6), т. е. χ = L / (R ⋅ f ) мкОм^-1 ·см^-1, где R – сопротивление столба воды длиной L(см) и сечением f (см²); на практике для измерений используют единицу сименс, т. е. См = 1/Ом (мкСм/см = См × 10^-6/см);

• электропроводность эквивалентную (λ ) (см² × Ом^-1 / мг-экв или См·см²/мг-экв), т.е. λ = 10³χ /С, где С – концентрация вещества, мг-экв/л.

Кислотность – содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными щелочами (едким натром, едким кали), т. е. с гидроксил-ионами. Расход основания выражает общую кислотность воды. В природных водах кислотность в большинстве случаев зависит от содержания свободной растворённой двуокиси углерода и рН обычно не бывает ниже величины 4,5.

Технические сточные воды, например, после кислотной промывки котлов или опреснительных установок, часто содержат большие количества сильных свободных кислот. В этих случаях рН воды может быть ниже величины 4,5. Кислотность воды определяют титрованием её раствором NaOH или Na2CO3. Количество раствора, израсходованное при титровании пробы воды до получения рН = 4,5 соответствует свободной кислотности (m); количество, израсходованное до получения рН = 8,3 соответствует общей кислотности (р). Кислотность у анализируемой воды равна нулю, если рН ≥8,3. Конец титрования определяют визуально (по изменению окраски индикатора) или электрометрически, используя милливольтметр. Кислотность выражают в миллиграмм-эквивалентах на один литр воды (мг-экв/л).

Щёлочность – содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами, т. е. с ионами водорода. Расход кислоты при титровании пробы выражает общую щёлочность воды (Що). Другими словами, под общей щелочностью подразумевается суммарная концентрация в воде ионов ОН^-, НСО₃^-, СО₃^2-, РО₄^-, НРО₄^2-, НSiО₃^-, SiО₃^2- и некоторых других ионов слабых органических кислот (гуматов). Ещё различают щелочность гидратную (Щг), которая обусловливается анионами ОН − ; бикарбонатную (Щбк), обусловленную анионами НСО₃^-, и карбонатную (Щк) – анионами СО₃^2-.

В обычных природных водах щёлочность, как правило, зависит только от гидрокарбонатов щелочноземельных металлов. В этом случае значение рН воды не превышает 8,3. Общая щелочность практически тождественна карбонатной жёсткости и соответствует содержанию гидрокарбонатов.

Увеличение, например, в котловой воде количества растворимых карбонатов и гидроокисей повышает значение рН более 8,3. Та часть общей щёлочности, которая соответствует количеству кислоты, нужному для понижения рН до 8,3 – называется свободной щёлочностью воды (Щсв). Ввиду того, что общая и свободная щёлочность находятся в стехиометрической зависимости от содержания ионов НСО₃^-, СО₃^- и ОН^-, по величине Що и Щсв можно определить косвенным путём присутствие и количество этих ионов.

Щёлочность определяют титрованием воды раствором сильной кислоты. Количество раствора, израсходованное до достижения рН = 8,3 эквивалентно свободной щёлочности; количество его, необходимое для достижения рН 4,5, эквивалентно общей щёлочности. Если рН воды меньше 4,5, её щёлочность равна нулю. Титрование до рН = 4,5 менее точно, так как на результат влияет свободная СО₂. Конечную точку можно находить визуально, используя изменение цвета раствора индикатора (фенолфталеина) или электрометрически при помощи рН-метра. Результаты определения выражаются в миллиграмм-эквивалентах на 1 литр воды.

В технике часто используют показатель «щелочное число».

Щелочное число (ЩЧ), в мг/л – это гидратная щелочность, выраженная эквивалентным количеством едкого натра (NaOH): ЩЧ = 40 × Щг ,

где 40 – эквивалент NaOH.

Общая жёсткость воды (Жо) – показатель качества, характеризующий величину суммарной концентрации в воде катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция (Са₂⁺) и магния (Мg₂⁺).

Общую жёсткость по анионному составу подразделяют на карбонатную и некарбонатную: Жо = Жк + Жн,

где Жк – карбонатная жёсткость, а Жн – некарбонатная жёсткость, мг-экв/л.

Карбонатная жёсткость обусловлена наличием в воде карбонатов и гидрокарбонатов, бикарбонатных ионов НСО₃^- .

Некарбонатная жёсткость обусловлена наличием в воде катионов щелочноземельных металлов (в основном кальция и магния), соответствующих анионам минеральных кислот: хлорид-, сульфат-, силикат-, нитрат-ионам (СаСl₂, СаSO₄, СаSiO₃, СаNО₃) и других.

Общую жёсткость определяют комплексонометрическим методом, результаты определения выражаются в мг-экв/л, а также в немецких (^оН), французских (^оФ) или английских (^оА) градусах жёсткости.

Cодержание хлоридов (хлориды или соленость) в мг/л хлор-иона определяет содержание в воде хлористых солей (NaCl, СаС1₂, МgCl₂ и др.), составляющих наибольшую часть солевого состава природных и котловых вод. По содержанию хлоридов косвенно судят об общем солесодержании воды.

Фосфатное число (фосфаты) – содержание в воде фосфатов в мг/л РО₄^3- или Р₂О₅. 1 мг/л РО₄^3- = 1,34 мг/л Р₂О₅. Фосфаты входят в состав многих противонакипных реагентов, используемых при внутрикотловой водообработке.

Нитратное число (нитраты) показывает содержание в котловой воде солей азотной кислоты (нитратов) в мг/л NaNО₃.

Содержание окислов меди и железа в питательной воде выражается в мкг/л и характеризует вероятность появления этих отложений на поверхностях нагрева котельных установок с высокими параметрами пара.

Содержание кислорода в воде выражается в мг/л и характеризует вероятность возникновения кислородной коррозии в парообразующих трубках поверхности нагрева котельных установках.

Содержание нефтепродуктов (нефтесодержание воды) из-за разных значений их удельной плотности при изменении температуры, в питательной, котловой воде или в конденсате отработавшего пара СЭУ выражается в объёмных частях нефтепродукта на миллион аналогичных объёмных частей воды (млн^-1 или ppm) и является важным показателем качества воды, обеспечивающим надёжность и эффективность технической эксплуатации СЭУ. Присутствие, например, капельных нефтепродуктов в котловой воде вызывает образование на теплопередающей поверхности котла плёнки углеводородных отложений, которая затем коксуется и обладает значительным термическим сопротивлением. Это приводит к местному перегреву металла парообразующих трубок котла, потере их прочности и – к неизбежному разрушению под действием внутреннего давления.

В табл. 3.1 представлены предельные нормы показателей качества воды, рекомендованные правилами технической эксплуатации судовых котельных установок в зависимости от её назначения, а также типа парового котла и давления пара (р_к) в нём.

Таблица 3.1

Предельные нормы показателей качества технической воды
для судовых котельных установок